岩石动力本构模型与三维断裂特征

动态荷载会加速岩体内部的裂隙演化，影响工程稳定性，揭示岩体内部动态开裂机制成为岩体工程领域的核心科学问题。相比传统连续介质力学方法，采用积分形式的近场动力学方法，在模拟断裂方面具有独特优势。本书基于近场动力学理论，建立模拟岩石动态破坏的本构模型，研究含三维裂隙岩石在动态荷载作用下的力学特性与贯穿机制。通过试验与数值模拟，揭示含非直裂隙岩石的动态力学响应与开裂机制。针对锚固问题，提出考虑界面黏结特性的非线性本构关系，模拟层状及含裂隙加锚岩石的失效过程，探讨锚固角度、裂隙倾角对结构动态强度、能量耗散及裂纹扩展的影响规律。

本书可为岩石动力学、近场动力学及地下工程领域相关的研究人员与高校师生提供参考。

前言

第1章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2国内外研究现状3

1.2.1含预制裂隙岩石压缩试验3

1.2.2近场动力学理论及其工程应用8

1.3本书的主要内容15

参考文献16

第2章近场动力学基本理论30

2.1运动方程30

2.2键基近场动力学31

2.3常规态基近场动力学34

2.4非常规态基近场动力学35

2.5数值实现36

2.5.1物质点空间离散与邻域搜索36

2.5.2表面矫正与体积修正37

2.5.3约束条件与加载39

2.5.4时域积分41

2.6冲击接触模型43

2.7失效判据44

2.7.1强度失效判据44

2.7.2能量失效判据44

2.8本章小结46

参考文献46

第3章近场动力学高效搜索算法48

3.1物质点邻域搜索方法48

3.2索引加速算法49

3.2.1索引加速算法的定义49

3.2.2均匀物质点间距、边界规则下的索引加速算法50

3.2.3均匀物质点间距、边界不规则的解决方法53

3.2.4不均匀物质点间距的划分方法54

3.2.5极坐标系下的索引加速算法55

3.3广度优先搜索法57

3.3.1广度优先搜索法的定义57

3.3.2改进的广度优先搜索法58

3.3.3物质点邻域搜索计算速度对比59

3.4有限元软件网格划分工具及近场动力学物质点划分的区别61

3.5索引加速算法在近场动力学中的深度融合63

3.6本章小结65

参考文献65

第4章基于近场动力学的含三维内部裂隙岩石动态断裂行为67

4.1岩石单键单参数动态损伤模型建立67

4.1.1考虑衰减函数微模量67

4.1.2本构力函数71

4.1.3率效应74

4.2数值验证75

4.2.1一维频散关系75

4.2.2紧凑型拉伸试验78

4.2.3层裂模拟80

4.2.4SHPB压缩试验82

4.3含内部裂隙岩石裂纹扩展过程数值模拟86

4.3.1数值模型86

4.3.2结果与讨论86

4.4本章小结102

参考文献103

第5章冲击荷载作用下含双三维内部裂隙岩石贯穿模式106

5.1改进岩石单键单参数动态损伤模型106

5.1.1考虑内部长度对非局部长程力的影响106

5.1.2能量基失效判据推导111

5.1.3服从Weibull分布规律微模量113

5.2数值验证114

5.2.1缺口L形试件动态断裂过程114

5.2.2裂隙岩石动态压缩模拟115

5.3冲击荷载作用下含双内部裂隙岩石裂纹扩展118

5.3.1数值模型118

5.3.2结果与讨论118

5.4本章小结127

参考文献128

第6章岩石单键双参数动态损伤模型及裂纹扩展特性130

6.1单键双参数近场动力学模型130

6.2单键双参数动态损伤模型构建132

6.2.1衰减函数对键刚度的影响132

6.2.2考虑岩石异质性135

6.2.3本构力函数135

6.3数值验证138

6.3.1平板拉伸138

6.3.2岩石单孔爆破143

6.3.3SHPB冲击试验145

6.4应变率和形状参数对岩石裂纹扩展的影响147

6.4.1力学特性148

6.4.2裂纹扩展过程151

6.5本章小结154

参考文献155

第7章冲击荷载作用下含非直裂隙岩石力学特性试验及开裂机制158

7.1试验材料和设备158

7.2试验结果160

7.2.1动态应力平衡检验160

7.2.2动态力学特性161

7.2.3起裂位置和破坏模式162

7.3改进单键双参数动态损伤模型164

7.4粒子对算法及其OpenMP并行化166

7.5动态荷载作用下含非直裂隙岩石试件三维断裂行为170

7.5.1数值模型170

7.5.2模型验证171

7.5.3裂纹起裂应力和扩展速度172

7.5.4裂纹扩展过程174

7.6开裂机制180

7.7本章小结187

参考文献187

第8章围压作用下含非直裂隙岩石动力特性及开裂机制191

8.1试验材料和设备191

8.2试验结果193

8.2.1动态应力平衡检验193

8.2.2动态力学特性和破坏模式194

8.3数值模拟196

8.3.1数值模型196

8.3.2模型验证197

8.4不同赋存深度下含非直裂隙岩石试件动态断裂行为198

8.4.1考虑开挖扰动岩体应力分布198

8.4.2不同赋存深度下含非直裂隙岩石数值模拟199

8.4.3开裂机制209

8.5本章小结212

参考文献213

第9章基于近场动力学的锚固岩石动态断裂特性214

9.1锚固界面近场动力学模型214

9.1.1岩石率相关近场动力学模型214

9.1.2钢筋混凝土界面近场动力学模型217

9.1.3锚杆近场动力学模型219

9.2冲击荷载作用下含缺陷锚固岩石动态断裂特性220

9.2.1模型验证220

9.2.2不同锚固角度下层状锚固岩石动态断裂特性222

9.2.3冲击荷载作用下含裂隙锚固岩石动态断裂特性227

9.3本章小结234

参考文献235