脆性岩石破坏试验研究

3. 岩石宏观本构模型参数反演方法研究进展

岩石是一种由多种物质组成的具有初始缺陷的非均匀体。岩体中裂隙面的分布情况决定了岩体在各
种工况下的破坏过程。离散元法已广泛应用于岩石工程和地下工程等多个领域。当前离散元模型的核心
摘要
连续介质力学模型较难模拟岩石类脆性材料在破坏过程中出现的非连续特性，离散元方法为解决这类难 题提供了新的途径。如何准确反演估计岩石类脆性材料细观本构模型参数，已经成为制约离散元方法工 程应用的瓶颈之一。系统评述了岩石破坏过程细观数值模拟方法，介绍了岩石宏观本构模型参数反演方 法研究进展，讨论了岩石细观本构模型及其参数反演方法。岩石材料细观本构模型参数反演研究为离散 元模拟从定性分析到精确定量计算奠定基础，也是进行岩石类材料破坏机理多尺度研究的前提。
关键词
参数反演，细观本构模型参数，响应面方法，径向基神经网络，宏观实验数据，平行粘结模型
Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). /licenses/by/4.0/
DOI: 10.12677/ijm.2020.92007
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力学研究
李守巨
及裂隙传播情况[3]。岩石是一种初始缺陷随机分布的非均匀体，其各种参数的分布具有统计学的特征。在 外荷载的长期作用下，岩石的结合面上产生初始损伤。该损伤会局部出现，并导致岩石的应变软化现象。
国外学者提出了一种颗粒流的方法，用来模拟岩石颗粒的运动与相互之间的作用。该方法已经在岩 石力学等多个工程领域得到应用，并对岩石断裂和岩石损伤机理从细观角度予以揭示。国内学者也应用 UDEC 软件模拟了岩石初始裂纹在各种荷载工况下的发展过程[4] [5]。根据岩石类材料局部应变和应力的 分布特点，于庆磊研究了单轴受压状态下颗粒材料的裂纹在三维空间的产生和发展状况及其破裂模式[6]。 但是，至今为止科学家还没有把岩石裂纹的微观机理和宏观参数建立起来有效的联系。而着眼与宏观裂 纹分析的岩石断裂力学理论与方法，主要致力于研究裂纹尖端附近的应力场、应变场和能量释放率等， 目的是建立宏观裂纹起裂、裂纹的稳定扩展和失稳扩展判据。

2.1岩石破坏强度准则岩石的破坏主要与外荷载的作用方式、温度及湿度有关。

一般在低温、低围压及高应变率的条件下，岩石表现为脆性破坏，而在高温、高围压、低应变率作用下，岩石则表现为塑性或者塑性流动。

对于较完整的岩石来说，其破坏形式可以分为：1)脆性破坏；3)延性破坏。

图2-1给出了不同应力状态下岩石破裂前应变值、破坏形态示意图和典型的应力-应变曲线示意图。

图2-1岩石破坏形态示意图从图2-1中可以看出岩石破裂种类繁多、岩石破坏过程中的应力、变形、裂纹产生和扩展极为复杂，很难用一种模型进行描述，很多学者针对不同岩石破坏特征提出多种不同岩石的强度破坏准则。

本节主要对已有的岩石强度破坏准则进行总结，找出它们各自的优缺点。

2.1.1最大正应力强度理论最大正应力强度理论也称朗肯理论，该理论是1857年提出的。

它假定挡土墙背垂直、光滑，其后土体表面水平并无限延伸，这时土体内的任意水平面和墙的背面均为主平面（在这两个平面上的剪应力为零），作用在该平面上的法向应力即为主应力。

朗肯根据墙后主体处于极限平衡状态，应用极限平衡条件，推导出了主动土压力和被动土压力计算公式。

考察挡土墙后主体表面下深度z 处的微小单元体的应力状态变化过程。

当挡土墙在土压力的作用下向远离土体的方向位移时，作用在微分土体上的竖向应力sz 保持不变，而水平向应力sx 逐渐减小，直至达到土体处于极限平衡状态。

土体处于极限平衡状态时的最大主应力为s1=gz ，而最小主应力s3即为主动土压力强度pa 。

根据，当主体中某点处于极限平衡状态时，大主应力1σ和小主应力3σ之间应满足以下关系式：粘性土：213...2tan tan 454522c ϕϕσσ⎛⎫⎛⎫︒︒=-++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（1）无粘性土231.tan 452ϕσσ⎛⎫︒=- ⎪⎝⎭（2）该理论认为材料破坏取决于绝对值最大的正应力。

因此，作用于岩石的三个正应力中，只要有一个主应力达到岩石的单轴抗压强度或岩石的单轴抗拉强度，岩石便被破坏。

岩石破裂的影响因素

岩石材料类型 应力作用方式




围压条件（P） 温度条件（T） 孔隙流体 应变速率（έ） 右图代表材料从脆性 到韧性的过渡，也反 映脆性材料随T、P增 加而出现向韧性转化 的趋势。
岩石破裂或断裂准则

岩石破裂或断裂是指在外力作用下岩石所产生的介 质不连续面。为什么岩石会产生断裂？影响因素很
2α
2θ

应力莫尔圆的物理意义
（1）当θ=0时， θ=1，θ= 0； （2）当θ=90时， θ=2，θ= 0；
（3）当θ=45或135 时，θ= (1-2) / 2，最 大值； （4）当1=2，= 0 时，均匀挤压或拉张， 无剪应力； （5）在三维状态中， 当1= 2 = 3 时，为静 水压力；

Griffith断裂理论：Griffith（1924）在检查库伦－纳维叶准则 时发现，在微观尺度上，岩石的破裂受材料原始先存微观裂 隙的影响，这种裂隙称为Griffith裂隙。由于在裂隙的尖端产 生应力集中，使岩石对发生断裂的摩擦阻力减弱。而且实验 结果得到的抛物线形包络线与Griffith模式预测的结果一致。
沙箱实验－模拟正断层和逆断层的形成
Hubbert（1951）的实验 材料：沙子 实验过程：用转动螺杆推动力推动金 属隔板。 隔板向右运动，在左间内发育了正断 层，其倾角为典型的60º ，为沙子内摩 擦角的余角。 隔板继续向右运动，当有沙子受到压 缩形成逆冲断层，断层倾角约为30º 。 动力学分析： （1）沙子在两室都处于静岩应力状 态，各方向的应力相等。 （2）隔板向右，使左间内水平应力减 小，σ3是水平的，σ1是直立的，形成 正断层。 （3）在右间内正相反，使右间内水平 应力增加，σ1是水平的，σ3是直立的， 形成逆断层。

体胀系数：温度上升1℃所引起的体积增量与初始体积的比值。
vs
Vt V0 V0
线胀系数：温度上升1℃所引起的长度增量与初始长度的比值。
ls

Lt L0 L0
岩石的导热率是度量岩石的热传导能力的参数，是指当温度上升1℃时，热量
在单位时间内传递单位距离的损耗值。
Ct

QT LtT
3、岩石的各向异性和渗透性
A
r
o
a
空隙闭合应力：单轴压缩状态下使岩石中的空隙闭合的 最下应力。
2.岩石变形特征

v
r r
e B
A
o
a
比例弹性极限或弹性极限：应力-应变曲线保持直线 关系的极限应力
2.岩石变形特征
v
r r
p
C
e B
A
a
屈服应力：单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力
2.岩石变形特征
抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力。 膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的
性能称膨胀性。 崩解性：岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈
碎块状崩开散落的性能。具有强烈崩解性的岩石和 土，短时间内即发生崩解。
2、岩石的物理性质
岩石的热理性：是指岩石温度发生变化时所表现出来的
物理性质。（热胀冷缩）
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp

mw2 ms
100 %
Wa

mw1 ms
100%
2、岩石的物理性质
岩石的软化性
岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性
软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(σcw)与 干抗压强度(σc)的比值
KR