考虑应力硬化-损伤耦合的岩石非线性蠕变模型

《Scientific Reports》：Nonlinear creep model of rock considering stress hardening-damage coupling

　　

摘要

本研究建立了一种考虑应力硬化-损伤耦合的非线性岩石蠕变本构模型。引入幂律硬化函数以反映初始蠕变阶段孔隙压实引起的刚度增强，并采用非线性损伤演化方程来表征内部裂纹扩展所导致的加速蠕变。通过严格的变量分离与积分，推导了各蠕变阶段的显式解析解，并将一维模型扩展至三维应力状态。基于围压为5、10、15和20 MPa的三轴蠕变试验数据，采用非线性最小二乘法识别模型参数。结果表明，所提出的模型与实验曲线吻合良好，能够准确描述包括瞬态蠕变、稳态蠕变和加速蠕变在内的全阶段蠕变行为。与传统Nishihara模型相比，新模型具有更高的拟合精度，尤其是在以损伤演化为主导的加速蠕变阶段。由等时应力–应变曲线确定的长期强度在四种围压下分别为60 MPa、84 MPa、150 MPa和160 MPa，呈现近似线性增长趋势。本研究可为深部岩体工程的长期变形预测与稳定性分析提供理论依据。