考虑热膨胀效应的热-力耦合损伤岩石弹塑性本构模型研究

为解决深部岩石在高温高压耦合环境下的非线性强度退化及体积变形特征难题，研究人员基于Weibull分布损伤因子构建了热-力耦合弹塑性本构模型，创新性地引入温度依赖型Hoek-Brown准则和热致膨胀方程，揭示了岩石剪切收缩-膨胀转换机制，为深部地热开发及核废料处置等工程提供理论支撑。

　　

深部岩体工程正面临前所未有的挑战——随着人类向地球深部进军开发地热能、建设核废料处置库，岩石在高温高压耦合环境下的力学行为呈现复杂非线性特征。传统理论难以解释两个关键现象：一是岩石弹性模量与强度在高温下的非比例变化规律，二是峰值应变与峰值强度的内在关联机制。更棘手的是，现有模型往往孤立考虑热损伤或力学损伤，无法同时表征热-力耦合效应与弹塑性硬化行为，尤其忽略了高温条件下岩石体积变形与剪切变形的耦合作用，而这恰恰是评估岩体稳定性的关键指标。

针对这些瓶颈问题，同济大学（根据CRediT声明中资助项目单位推断）Siyu Chen团队在《Powder Technology》发表研究，提出基于Weibull分布损伤因子的热-力耦合弹塑性本构模型。该研究通过三轴实验数据校准参数，结合数字图像相关技术验证模型精度，主要采用四大技术路径：1）建立温度依赖型Hoek-Brown准则参数化方程；2）构建关联塑性流动的热致膨胀方程；3）基于微元强度随机分布理论推导损伤变量-塑性应变关系；4）开发改进的塑性流动法则。

模型建立

通过重整化平均有效应力p^*和偏应力q的表达式，将热膨胀应变增量dε^v与广义剪应变增量dε^q耦合。创新点在于采用Weibull分布表征微裂纹强度随机性，通过应变等效原理建立多物理场损伤变量与塑性应变的显式关系。

参数校准

利用应力-应变曲线峰值点(ε_p, σ_p)的几何条件反演Weibull参数m和F₀，结合KSL-1200×高温腔炉实验数据，发现400°C时花岗岩损伤因子较室温升高47.3%。

模型验证

选用40mm×80mm的武夷山花岗岩圆柱试件，对比200-400°C温度区间的预测曲线与实测数据。结果显示，模型对偏应力峰值误差<5%，尤其精准捕捉了300°C时体积应变由收缩转为膨胀的临界点。

该研究突破性地解决了三个科学问题：1）通过热致膨胀方程定量描述"先剪缩后剪胀"的变形特征；2）揭示温度对Hoek-Brown参数σ_ci的非线性弱化效应；3）建立损伤演化与塑性流动的协同机制。工程价值在于为深部隧道支护设计提供理论工具，例如预测火灾工况下围岩的膨胀破裂阈值。值得关注的是，模型参数均可通过常规三轴试验获取，这大幅提升了其在现场工程中的适用性。