原煤弹塑性局部化损伤本构模型

摘要

随着人类能源和资源刚性需求的增加，必将促使矿产资源开采进一步朝地球深部发展.深部工程高地应力赋存条件导致岩体表现出明显的非线性力学响应.由于煤岩的非均质性，外部荷载作用下其内部微裂纹会逐渐萌生、扩展，并聚合成局部宏观裂纹，形成局部剪切带，表现出应变局部化现象，最终导致试样失稳破坏.且原煤的三轴压缩试验结果表明：低围压条件下峰后出现明显的应力跌落，表现出脆性破坏特征；随着围岩的增加，应力跌落现象逐渐放缓，表现出延性变形行为.基于煤岩的损伤破裂内在物理机制，如何在本构尺度准确描述岩石的脆延转变现象仍需进一步研究.传统模型忽略了局部剪切区域内与区域外之间的关系以及局部区域的力学特征，导致模拟结果不能有效地反映岩石材料应变局部化破坏特征.正确描述深部岩体灾变过程中局部化破坏问题是工程结构设计的关键.为此，基于原煤三轴压缩力学响应特征，考虑局部化损伤效应，提出适应于原煤的Mohr–Coulomb型屈服准则和损伤准则，建立了原煤弹塑性局部化损伤本构模型.通过能量等效原理，建立局部带内外力学变量与宏观力学响应之间联系.采用损伤变量作为内在驱动变量控制屈服面的膨胀和收缩，描述煤岩的峰前应变硬化和峰后应变软化行为.并采用指数函数形式损伤准则描述岩石断裂破坏过程中损伤演化行为，建立了局部带尺寸与损伤变量之间函数关系.通过数值模拟结果与原煤三轴压缩试验数据对比论证提出模型的有效性.结果表明：该模型能够较好地捕捉原煤不同围压加载过程中主要的非线性变形特征，且峰后应变软化现象是局部化损伤快速增加所致.通过控制损伤演化速率和局部化损伤程度，本构模拟结果可以较好地再现原煤的脆延转变行为，且最大损伤水平随着围压的增加呈现指数衰减.因此，本文提出的本构模型能够反映原煤的局部化变形破坏力学特征，进一步丰富了岩石损伤力学理论，相关研究工作可为深部岩石工程理论模型研究提供新的研究思路.

关键词

原煤 / Mohr–Coulomb准则 / 本构模型 / 局部化损伤 / 脆延转变

基金资助

国家自然科学基金资助项目（52109143）; 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金资助项目（IWHR-SKL-KF202305）; 中国电力建设股份有限公司科技项目（DJ-HXGG-2023-16）