205 / 2024-09-10 21:19:09

脆性砂岩中钻孔渐进塌陷失稳尺度效应数值模拟

钻孔塌陷；剪切带；尺度效应；隐式梯度理论；耦合有限元

为了克服经典弹塑性理论模型无法捕捉岩土构筑物失稳破坏尺度效应的难题，提出了一个隐式梯度正则化应变软化Mohr-Coulomb模型。通过将剪切带厚度限制为材料特征长度尺度参数的函数，该模型能够导出剪切带厚度的闭合理论解。进一步建立了适用于该模型的耦合有限元方法，并通过软化材料平面应变压缩试验模拟，验证了该模型在应变局部化数值模拟中的正则化能力，模拟结果具备网格客观性。利用试验数据验证的数值模拟表明，钻孔的渐进塌陷失稳过程存在显著的尺度效应。具体而言，随着系统尺度与材料长度尺度的比率增加，钻孔强度明显降低；与此同时，钻孔周围的等效塑性变形活跃区从扩散均匀模式转变为涉及多个剪切带交互发展的应变局部化模式。数值模拟进一步表明，钻孔强度尺度效应不受外边界压力各向异性的影响。然而，在不同的外边界压力各向异性条件下，钻孔周围塑性变形模式仍然存在明显尺度效应。