岩土破损力学结构块破损机制与二元介质模型.docx

1、岩土破损力学结构块破损机制与二元介质模型岩土破损力学结构块破损机制 与二元介质模型文章编号r 1000-7598(2010)增刊 1 一0013-11岩土破损力学：结构块破损机制与二元介质模型刘恩龙(四川大学水利水电学院，成都610065)摘 要：沈珠江尊在总结岩土材料的基本特性、分析理论和研究方法的基础上，提出了岩土破损力学理论框架和二元介质模 型概念基于岩土二元介质模型思想，近年来在试验、理论和数值模拟方面对结构性岩土材料进行了详细研究。通过对棒状和 棱柱状结构块试件的平面试验，探讨了结构性岩土材料的破损机制，并发现了在受荷过程中结构块逐渐破损并转化为软弱帝 二者共同抵抗外部作用，即验证了

2、二元介质模型对结构性岩土材料力学抽象的正确性；扩展了岩土二元介质模型对岩土材料 的脆性变化进行了模拟，并与结构性土和砂岩的三轴试验结果进行了验证；基于二元介质模型概念，发展了一种模拟岩土材 料破损过程的细观数值方法.同时提出了适用于结构性岩土材料的强度准则。关 键词：二元介质模型；破损力学；结构块；结构性土；试验；细观数值分析；强度准则中图分类号：TU43 文献标识码：ABreakage mechanics for geomaterials: Breakage mechanismof structural blocks and binarv-medium modelLIU En-long(Sc

3、hool of Hydraulic and Hydropower Engineering. Sichuan University. Chengdu 610065,Abstract: Based on the analysis of the mechanical features and fundamental theory of geological materials, Shen et al.(2002 and2003) proposed the framework of breakage mechanics for geomaterials and the concept of binar

4、y-medium model(BMM) Recently, we have carried out much research, including tests, theory and numerical simulation, on the structured geomateriak on the basis of the binary-medium model concept. Plane tests of the samples assembled by geo-structural blocks were conducted to investigate the breakage m

5、echanism of structured geomaterials. It was experimentally found that the structural blocks w汕 gradually break and transform to the weakening bands: and both of them will bear the loading together during the loading testifying mechanical idealization of breakage mechanics for structured geomaterials

6、. A new method of preparing foi structured soils was explored: and the mechanical and strength characteristics of artificially prepared structured soih were studied under different stress paths The binary-medium model for geomaterials was extended and verified that il could be used to simulate the b

7、rittleness change of geomaterials and experimental results of structured soils and sandstones under triaxial stress conditions well. Based on the concept of the binary-medium model for geomaterials, a mesoscopic numerical method which can simulate the breakage processes of geomaterials was proposed;

8、 and a strength criterion foi structured soils was put forward finally.收稿日期：20KMH.13基金项目*田家自然科学基金项目(No. 102720621 No.50479007)作者简介：刘恩龙.男，1976年生，博士.副教授，主要从事岩土材料本构关系与数值模拟方面的教学与科研工作。E-mail: lluenlongs ，卜八:;7、丫 I”二：1：八(a)破损过程 =0.03 MEa.b & = 10.0%, 6 = 1.96 MPi e( = 22.0%, at = 2.52 MPs(b)破损过程6 = 015、lP

9、aa排(ora.2/medv = FBTlA1adr =对于胶结元有:Aab =DbAeb 于摩擦元有:Aof =DfAef。经过运算则可得到下式I ：Aa = (l-A)Db D Aeb +卬M /)( -+ Q站(10)其中:Icl=-/nrr-dv定义：(ob曰6Mb、E b詁個嗣vb vb呱af = /akKaIdvf . e)=卩 g dvf v( vr别为胶结元应力和应变、摩擦元应力和应变。令局部应变系数C,且满足：eb =Ce o 令局部应力系数A满足：Qh =Aa 可推导 得到：Q = 46b+土叫和e=eb +Vf V V V V令入=11,则可得到：a = (l-Av)ab

10、 + 入 Q( (5)e = (l-Av)eb +ef (6)假定胶结元在破损转化为縻擦元以前具有的模 量矩阵为Dh而摩擦元的模量矩阵为Oh 2、 刖、Q：、忙：、耐、封分别代表现有的呼 均应力和平均应变及胶结元、摩擦元的局部应力和 局部应变:Aa s 、Aah、Aeh s Aa(、 Aef分别为相应的应力增量和应变增量， Q +46、刖+、Q；+A6b、就 V Aeb、af + Aef、ef + Aef 分别代表增量気 成后的应力和应变状态。3.1单参数均匀化理论假定破损率为应变或应力的函数，即： =A(e)或人=A(a) (7)由式(5)则可得：Ao = (l-V)Aab +AA6 Q：)

11、由式(6)则可得：Ae = (l-A；)Aeb +：+ M(? 凤)因为：Mh =CAe + ACe ,其中C 为当 前的局部应变系数矩阵，AC为其增量。把式(10) 可以整理为 Aqnf ； Ae,、 A%、y ； &、心、A? ； &、心、 Aef和入.M为相应的增量。式中需要确定的参数有Kb、Gb、Kt、G和入、 人、C；、Cl，具体的物理意义、确定方法和计 算参数参见文献9, 20,图9、10分别是结构性土 和砂岩岩样的应力应变模拟。基于扩展的二元介 质模型，用单参数理论和双参数理论对结构性土和岩石材料的应力应变特 性进行了模拟，结果表明，二元介质模型可以模拟 岩样在低围压下的应变软化

12、到高围压下的应变硬化过 程，且可以较好地定量模拟结构性土和砂岩岩样在 类似于单参数理论的推导可以得到如下的应 力应变关系：Aa = /Aam +& =耳仪 +(工 (Kb)4朋倉卜X tKC 珥cox+GiM+(i-V) Gh GJ & +鈴卜Gh + GM + GJ G： (12)4破损过程细观数值模拟根据岩土二元介质模型概念，以下认为岩土村 料在细观尺度上可以理想化为由大量的胶结元和摩 擦元组成的二元结构体，胶结元和摩擦元是彼此遊 立的并具有自己的变形特性；在受荷过程中，胶绘 元逐渐破损并转化为摩擦元，二者共同抵抗外部作 用直至破坏，摩擦元的汇集增大就会逐渐形成宏双 的破碎带。可见在受荷过

13、程中，通过胶结元的破按 并向摩擦元的转化就可以模拟宏观上的岩土材料貳 破损过程。4.1结构体的本构特性胶结元主要是由强黏聚力形成的，其变形过程具有脆性性质，在此假定胶结元为理想弹脆性的， 即在应力状态达到破坏强度以前其变性特性是 线弹性的，达到破坏强度以后很快转化为摩擦元, 如图11所示，图中ab为胶结元的应力，obf关 胶结元破坏时的应力，eb为胶结元的应变，ebf为胶结 元破坏时的应变。摩擦元具有较弱的胶结强度，其 变形过程具有弹塑性性质，可以是硬化型的，也可 以見妹仗刮酮.存吐値定为确化刮趙期样的.閒存 应力状态点在屈服面以内(Fq)(0)时其变性特 性是弹性的，当应力状未点在屈服面上(

14、Fa =0 )时进入塑性状态。记入为摩擦元的 屈服函“数，采用相适应的流动法则，前摩擦元的刚 度矩阵为式中：角标/为摩擦元；A为硬化参数。图11 胶结元变形特性 Fig.ll The deformational properties of bonded elements4.2屈服准则受荷之后，胶结元在达到其破坏强度后就会转 化为縻擦元，所以应该给出胶结元转化为摩擦元时 应满足的应力条件，即破坏准则。此处考虑两种砂 坏方式，拉伸破坏和剪切破坏，当胶结元的最小主 应力达到抗拉强度ab.时即发生拉伸破坏，否则 为 剪切破坏。对胶结元的剪切破坏采用了M ) + /(Tfn； (16)式中：/(Tb(a

15、)为胶结作用提供的抗剪强度；/(Tf(ai) 为縻擦作用提供的抗剪强度它们都是应力的函数。结合二元介质模型的应力表达式和抗剪强度表 达式：16)可以给出如下的结构性土的抗剪强度表 达 式：T = (l-)rblctl +Tfip (17)式中：T为抗剪强度；入时为胶结块所提供的剪切 抗力；丁“叩为软弱带提供的剪切抗力；eb为胶结坟 的平均应变；ef为软弱带的平均应变；?为剪切抗 力分担率，是对不同的试样达到破坏状态时软弱带 所发挥的剪切抗力的比率可以表示为应力的函数， 即=/(a)o经过运算可以得到如下的抗剪騎 度表达式：T =(1- JT0(am/f +J(tan (18)式中:为结构性土样的单轴抗压强度;Om =(1/3) (6 +6 +6) ; P.为标准大气压强:9为内摩擦角; H为常。I如下式： =1严。丿 (19)式中：Os为结构性土样的结构屈服强度；6为绡 构性土样的最小主应力；川为常数。图16为抗剪 强度变化规律和试验结果的对比囱，可见：所建议 的结构性土的抗剪强度表达式能够定性地反映结构 性土的强度变化规律和较好地模拟结构性土的强度 包线。0 50 100 150 200 250 300