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基于椭圆形微裂纹变形与扩展的准脆性岩石细观损伤—渗流耦合本构模型
摘要：
本文针对准脆性岩石损伤问题，基于椭圆形微裂纹变形与扩展的机理，建立了岩石细观损伤—渗流耦合本构模型。首先，通过扫描电镜技术观察岩石细观形貌，发现岩石内部存在多个椭圆形微裂纹。进一步研究表明，这些微裂纹能够在一定的应力作用下发生变形并扩展，进而引起局部岩石的破坏。基于此机理，本文结合渗流问题，建立了一个包括渗流参数和裂缝形态参数的本构模型。模型通过有限元方法求解，得到了岩石在不同应力作用下的应变和损伤情况。同时，本文利用数值模拟的方式，探讨了不同渗流参数和裂缝形态参数对岩石强度和渗透性的影响。研究结果表明，渗流参数对岩石破坏过程具有显著的影响，同时说明了裂缝形态参数的变化对岩石损伤和渗流特性的影响。本文的研究结果对于岩石力学性质和地下工程实践有重要的参考价值。
关键词：准脆性岩石，微裂纹，渗流耦合，本构模型，数值模拟
Abstract:
Inthispaper,basedonthemechanismofdeformationandextensionofellipticalmicrocracks,amicromechanicaldamage-seepage-coupledconstitutivemodelisestablishedforquasibrittlerocks.Firstly,byusingscanningelectronmicroscope,itisfoundthatthereexistmanyellipticalmicrocracksinsidetherocks.Furtherstudiesshowthatthesemicrocrackscandeformandextendundercertainstressandthenleadtolocaldamageoftherocks.Basedonthismechanism,thispaperestablishesaconstitutivemodelincludingseepageparametersandcrackshapeparameters,byconsideringtheproblemofseepage.Themodelissolvedbyfiniteelementmethodtoobtainthestrainanddamageofrocksunderdifferentstress.Meanwhile,numericalsimulationsareusedtoexploretheeffectofdifferentseepageparametersandcrackshapeparametersonthestrengthandpermeabilityofrocks.Theresultsshowthatseepageparametershaveasignificantinfluenceontheprocessofrockfailure,andthechangeofcrackshapeparameterscanaffectthedamageandseepagecharacteristicsofrocks.Theresultsofthisstudyprovideimportantreferenceforthemechanicalpropertiesofrocksandundergroundengineeringpractice.
Keywords:quasibrittlerocks,microcracks,seepage-coupled,constitutivemodel,numericalsimulation
1.引言
准脆性岩石具有一定的延展性和韧性，其破坏与微观裂缝的形态和扩展有关。通过分析细观损伤过程，可以揭示准脆性岩石的宏观力学特性，为地下工程设计提供有力的理论支持。
渗流与损伤是准脆性岩石力学中两个重要问题。前者直接影响岩石强度和渗透性，后者导致岩石的损伤和破坏。因此，综合考虑渗流和损伤问题，建立准脆性岩石细观损伤—渗流耦合本构模型，对于揭示岩石的力学特性和渗透特性有着重要的意义。
本文利用扫描电镜技术观察岩石细观形貌，发现存在多个椭圆形微裂纹，进一步研究表明微裂纹能够在一定的应力作用下发生变形并扩展，引起局部岩石的破坏。基于此机理，我们建立了一个包括渗流参数和裂缝形态参数的本构模型，并通过数值模拟的方式探讨了对岩石强度和渗透性的影响。
2.岩石细观形貌
我们对准脆性岩石进行了扫描电镜观察，结果如图1所示。可以看出，岩石的细观形貌呈现出明显的椭圆形状，存在多个椭圆形微裂纹。
图1岩石细观形貌
进一步研究发现，这些椭圆形微裂纹并非完全封闭，存在一定的开裂程度，并且能够在一定的应力作用下发生变形