基于耗散能演化的层状黄砂岩损伤本构模型及其验证

摘要

层理构造影响工程岩体力学性质及稳定性.为探究层理倾角对岩石变形损伤过程的影响，开展了0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°共7种不同层理角度的黄砂岩纵波波速测试和单轴压缩试验，分析了层理角度对黄砂岩峰值强度、弹性模量及破裂模式的影响，基于弹性模量劣化程度和耗散能演化特征分别表征黄砂岩初始层理损伤变量和荷载损伤变量，并借助Logistic函数模拟了层理与荷载耦合损伤变量演化全过程，探讨了层理角度对黄砂岩损伤演化规律的影响，进一步结合损伤力学理论与有效介质理论，建立了能够模拟单轴压缩下层状黄砂岩变形全过程的分段本构模型.结果表明：随层理倾角增大，黄砂岩纵波波速逐渐增大，峰值抗压强度和弹性模量呈现先减小后增大再减小的倒N型变化趋势，各向异性特性明显；黄砂岩破裂模式与层理倾角密切相关，倾角在0°～60°范围内时，主要发生穿切层理弱面的劈裂型张拉破坏，倾角为75°和90°时，岩样发生沿层理弱面的剪切滑移和劈裂张拉破坏；基于耗散能表征的损伤演化曲线可分为初始无损伤、损伤开始、损伤加速及损伤减速终止4个过程，借助Logistic函数构建的理论损伤模型可以很好的模拟和预测层状黄砂岩损伤演化全过程；初始层理损伤最大值与最小值之比约为1.41，表明层理倾角对黄砂岩初始损伤影响较大；建立的分段本构模型可以较好的描述层状黄砂岩单轴压缩应力–应变全过程，且理论模型曲线与试验数据吻合度高.

关键词

岩石力学 / 层理倾角 / 能量耗散 / 损伤演化 / 本构模型

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52074299,41941018)