岩体宏细观损伤力学研究

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1、项目名称：岩体宏细观损伤力学研究申报奖种：国家自然科学奖完成单位：清华大学完成人：杨强，冯西桥，周维垣，余寿文，陈新项目简介：本项目发现点属岩石力学与损伤力学和断裂力学的交叉学科。裂隙岩体是我国大型水利水电、国防、交通、石油、采矿等重大工程建设中的基本T程材料，对重大工程的安全往往起起控制性作用。裂隙岩体力学特性极为复杂。木项M以我国特高拱坝建设的迫切需求为研究苗景，以发展和量化岩石力学的核心学说”岩体结构控制论”为研究H标。项忖组自上世纪八十年代中期以来，在国内率先在损伤力学框架内开展岩体裂隙结构的力

2、学效应研究，在细观、宏观（唯象）、宏细观结合三个层次上对岩体损伤力学开展了系统深入的研究。主要研究内容及创新点包扌41）以反映岩体裂隙结构特征的二阶组构张量为损伤变屋，建立了一套宏细观相结合的损伤力学模型，并拓展其为考虑应变梯度的损伤局部化分析模型。本研究有机地统一了Rice的非线性多尺度非平衡态热力学经典理论框架和Ziegler的最大耗散原理，建立了不同阶纽•构张量的内在解析关系，最终构建了严格意义上的从细观到宏观的组构张量演化律。2）在细观层次上，构建了全面系统的岩体三维细观损伤力学新体系，该理论从

3、裂纹的张开、闭合、摩擦滑移、摩擦门锁、弯折扩展、残余变形和裂纹尖端微观孃性等细观机制岀发，全面描述和定量解释了荷载跌落、应变软化、损伤局部化、各向异性、韧脆转变、尺寸效应、剪切膨胀等准脆性材料的宏观力学特征和破坏全过程。为此提出了适应人量裂纹多种细观损伤机制并存的以集合论为基础的新概念损伤变量”裂纹扩展取向区”，以及适应大量裂纹（上万条）强相互作用分析的”有效场■子域”多尺度分析方法。3）在宏观层次上，建立了基于微平面的各向界性损伤模型，为经典的损伤标量和二级损伤张量建立了统一的数学基础，建立了显式的各

4、向界性损伤■屈服准则。发展和建立了考虑损伤演化的结构极限和安定分析的理论和方法。上述岩体损伤力学模型已应用于研究岩体流变损伤、渗流•损伤耦合、裂隙岩体参数预测、加锚岩体力学特性等，以及二滩、小湾、三峡等高坝工程和高边坡工程稳定分析。项日的科学价值在于：1）建立了一整套多层次、完整的岩体损伤力学理论新体系和方法；2）大大深化了对”岩体结构控制论”这一岩石力学核心学说的认识水平，使之从定性学说逐步发展成为定量学说，在构建严格、统一、独立的岩石力学学科理论基础方向上取得了重要进展；3)研究成果对非平衡热力学和

5、损伤力学学科也有实质性贡献，得到了学科的充分肯定和评价。本项目8篇代表性论著共被SCI他引163次，其中2部专著被中国引文数据库和SCI他引1800次。20篇主要论著共被SCI他引295次。本项目获2007年教育部自然科学一等奖，并获中国岩石力学与工程学会于2010年颁发的迄今为止唯一的自然科学特等奖。项Fl组中2人获国际岩土力学计算方法与进展协会(IACMAG)的杰出贡献奖，2人获国家杰出青年基金，1人被评为长江学者特聘教授，1人获全国首届优秀博士学位论文，2人获屮国青年科技奖，2人获全国优秀科技工作

6、者，代表性论著序号论文名称/刊名/作者影响因子年卷页码发表时间年月通讯作者/第一责任人SCI他引次数他引总次数是否国内宀兀成1Normalitystructureswithhomogeneouskineticratelaws/ASMEJournalofAppliedMechanics/Yang,Q.,Tham,L.G,Swoboda,G0.9492005年72卷322-329页2005年5月杨强/杨强33是2Onmicroscopicthermodynamicmechanismsofdamageevol

7、utionlaws/InternationalJournalofDamageMechanics/Yang,Q・，Chen,X.,Zhou,W.Y.1.9282005年14卷261-293页2005年7M杨强/杨强66是3Asimplemethodforcalculatinginteractionofnumerousmicrocracksanditsapplications/Int.J.SolidsandStructures/Feng,X.Q.,Li,J.Y.andYu,S.W.1.8572003年40卷

8、447-464页2003年1丿J冯西桥/冯西桥1717是4Damageanalysisofthermopiezoelectricproperties.1.Cracktipsingularities;2.Effectivecrackmodel/Theo.App.FractureMechanics/Yu,S.W.andQin,Q.H.0.9901996年25卷263-281996年11月余寿文/余寿文4242是8页5Microplane-dam