泥岩弹塑性损伤–愈合模型研究

第33卷 增1

岩石力学与工程学报 Vol.33 Supp.1

2014年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2014

泥岩弹塑性损伤–愈合模型研究

屈家旺12，刘泉声12，何 军12，柳志平12

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(1. 武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学 岩土与结构工程安全湖北省重点实验室，湖北 武汉 430072)

摘要：在深部高应力和水化学作用下，已损伤泥岩中的裂隙会自我愈合从而恢复其物理力学性能，泥岩的这一特性对以泥岩为母岩的高放废物处置库的围岩稳定性及其中放射性核素的迁移和隔离影响重大。根据广义热力学和连续损伤力学，基于最大耗散原理，引入描述泥岩愈合特性的内变量，提出能够描述泥岩的变形、损伤及自愈合演化特征的弹塑性损伤–愈合模型，分别使用该模型和将该模型剔除愈合部分后所形成的模型对不同围压下泥岩三轴压缩试验进行模拟，并与试验数据进行对比，结果表明所提出的模型能够合理有效地描述具有愈合效应的泥岩的主要力学性质且模型的愈合部分对模型模拟效果影响显著。 关键词：岩石力学；泥岩；热力学；损伤力学；弹塑性损伤；自愈合

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2014)增1–3192–06

STUDY OF ELASTOPLASTIC DAMAGE-HEALING MODEL FOR

ARGILLITE

QU Jiawang12，LIU Quansheng12，HE Jun12，LIU Zhiping12

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(1. School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，China；2. Hubei Province Key

Laboratory of Geotechnical and Structural Engineering Safety，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，China)

Abstract：Under the action of high stress and water chemistry in underground space，cracks of the damaged argillite would healed by themselves thus their physico-mechanical performance will recover. This character of argillite greatly influences stability of surrounding rocks as well as radionuclide migration and isolation in high level radioactive waste disposal repository buried in argillite. According to generalized thermodynamic and continuum damage mechanics，based on maximum dissipation principle，an internal variable describing the healing property of argillite is introduced，and an elastoplastic damage-healing model for argillite is developed which is able to depict deformation，damage and healing evolution characters of argillite. Then the proposed model and a model formed by removing healing part are used to simulate triaxial compression experiments of argillite under different confining pressures，respectively. Simulation values of the two models are compared with experimental data. Results indicate that the developed model can reasonably and effectively describe main mechanical characters of argillite which has healing effect，and the healing part of model significantly influences performance of model.

Key words：rock mechanics；argillite；thermodynamics；damage mechanics；elastoplastic damage；self-healing

1 引 言

核废料的合理处置关系到核能的可持续发展和

收稿日期：2012–12–18；修回日期：2013–02–03

人类的生存安全。目前，国际上公认的核废料处置方法是将其埋藏于稳定的深部地质体中。在众多地质体中，泥岩以其低渗透性，良好的蠕变性和损伤自愈合特征而深受关注，成为核废料地质处置的主

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(41130742)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110141110036)。

作者简介：屈家旺(1987–)，男，2010年毕业于中国地质大学(武汉)岩土工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石多场耦合理论及实验方面的研究工作。E-mail：690517141@

第33卷 增1 屈家旺等：泥岩弹塑性损伤–愈合模型研究 3193

要候选母岩[1]。因此，全面了解泥岩材料的力学行为，对于泥岩核废料深地质处置库的评估、设计、建设和长期运行具有重要意义。

泥岩的损伤自愈合特性有利于提高泥岩核废料处置库的隔离性能和围岩稳定性，通常被认为是选择泥岩作为深地质处置母岩的主要原因之一。在欧洲主要的核废料处置库围岩研究对象—Boom clay泥岩、Oplinus clay泥岩和Callovo-Oxfordian泥岩上，C. L. Zhang等[2-4]通过现场观察、三轴压缩下孔隙度测量、渗透率测定、声发射实验等一系列方法，发现和验证了泥岩损伤自愈合过程的存在；W. Bastiaens等[5]研究显示，导致泥岩损伤自愈合的主要机制是泥岩材料在力学和水力作用下发生的膨胀、固结和蠕变行为。关于材料的损伤自愈合现象，国内外学者做了许多模型研究，如贾善坡等[6]基于泥岩现场和室内试验，通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念，建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型；S. K. Miao等[7]在各向同性假设下，提出了一种受压破碎岩盐的连续愈合力学模型；E. J. Barbero[8]基于热力学框架，针对高分子复合材料提出了一种连续的损伤–愈合本构模型；M. K. Darabi[9]通过引入愈合特征构型，扩展了Kachanov有效构型和有效应力空间概念，提出了基于连续损伤力学的微观损伤–愈合模型。

目前关于泥岩自愈合现象的研究，多属于现场和室内试验研究，尚缺乏能够系统反映泥岩自愈合特性的力学理论模型。鉴于此，本文在热力学框架下，以连续损伤力学为基础，基于最大耗散原理，引入描述泥岩自愈合性质的内变量，提出一种能够描述泥岩自愈合特性的连续损伤–愈合模型。

2 模型的基本框架

根据广义热力学理论，可以在热力学本构关系中引入内变量对材料变形所涉及的不同机制(如弹塑性变形，损伤–愈合演化)进行物理一致性描述。视泥岩的变形为等温过程，则热力学第二定律可表示为

:

－ ≥0 (1) 式中： 为应力，

为应变张量对时间的导数， 为质量密度，

为Helmholtz自由能对时间的导数。 取 为泥岩的热力学势，以弹性应变 e，塑性应变 p，各向异性损伤张量d和描述材料自愈合特

性的张量h为内变量， 可表示为

( e， p，d，h) (2)

假定 可以分解为如下2个部分：

( e， p，d，h) 1

2 eE(d，h) e ( p，d，h)(3)

式中：1

2

eE(d，h) e为应变能， ( p，d，h)为耗

散能，E(d，h)为四阶损伤–愈合刚度张量。

为了简化模型，假定损伤及愈合曲面的演化是各向同性的，参考E. J. Barbero和P. Lonett[10]的研究，采用如下的耗散能表达式：

(εp，d，h) ( ， ， ) 1

2a0 2

(4)

a－a /a2 /a1( 2e) a3(a4e4

－ )其中：a0，a1，a2，a3，a4为材料常数； ， ， 为各向同性硬化参数，定义如下[11]

：

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