基于细观力学的黏土岩宏观弹塑性力学性能研究

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多年来,国内外诸多学者对黏土岩的宏观弹塑性力学性能进行研究。在细观尺度上,黏土岩可以看作是由刚性夹杂物(方解石和石英)、孔洞和黏土固体组成的多相材料。黏土岩内部的细观结构对材料的宏观弹塑性力学性能具有重要的影响。本文针对黏土岩的宏观弹塑性力学性能建立了细观力学解析模型,并与有限元数值模拟相结合,重点研究了含多孔和刚性球形夹杂的黏土岩宏观弹塑性力学性能,分析单轴压缩、三轴压缩(围压5MPa、10MPa)情况下孔洞和刚性矿物颗粒夹杂体积分数变化对黏土岩宏观弹塑性力学性能的影响。本文主要研究内容及结果如下:(1)本文基于割线法的细观力学理论和Mori-Tanaka方法建立了适用于含孔洞和夹杂的黏土岩弹塑性细观力学模型,利用解析公式建立了黏土岩宏观弹塑性性能与细观结构(孔洞、矿物颗粒夹杂)之间的联系。(2)利用有限元软件ABAQUS开发用户子程序USDFLD,对黏土岩的弹塑性力学性能进行了有限元数值模拟,与本文细观力学模型计算结果进行对比,验证了本文细观力学模型的可靠性与准确性。(3)单轴压缩情况下的黏土岩主要表现出剪胀现象。三轴压缩情况下的黏土岩表现出先剪缩后剪胀。围压对黏土岩的剪胀现象影响较大,孔洞和夹杂对黏土岩的剪胀现象影响较小。黏土岩在单轴压缩和三轴压缩下的峰值强度随孔洞体积分数的增加均近似呈线性减小趋势,随夹杂体积分数和围压的增加均近似呈线性增加趋势。本文研究结果为分析单轴压缩、三轴压缩情况下黏土岩的宏观弹塑性力学性能受刚性夹杂和孔洞体积分数的影响,以及为黏土岩的工程应用提供了理论依据和参考。
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