貴州大學礦業學院文志杰教授/陶劍特聘教授團隊在國際塑性力學領域頂級期刊International Journal of Plasticity（中科院一區Top，IF=9.4）發表題為“A fully coupled rate- and temperature-dependent viscoplastic damage model for rock-like materials within the consistency framework”的研究論文，首次在一致粘塑性理論框架下建立了率和溫度相關的巖石粘塑性損傷本構模型，闡明了巖石非彈性變形過程中不同耗散過程之間的競爭關系及其對巖石力學行為的控制作用。

深部巖土工程常處于“三高一擾動”（高地應力、高地溫、高滲透壓、強烈開采擾動）的復雜環境，準確理解和評估巖石類脆性材料在高溫、高壓和高應變率條件下的力學響應對于揭示深部巖土工程的失穩破壞機理具有重要意義。然而，高溫高應變率下的巖石非彈性變形過程涉及熱彈性、熱塑性和熱損傷等能量耗散過程的復雜耦合效應，如何在統一理論框架下定量求解巖石應力、應變、損傷和溫度等狀態變量的演化過程一直是一個挑戰性的前沿課題。

圖1. 高溫環境和動態擾動耦合影響下的典型深部巖土工程

該研究基于不可逆熱力學原理，通過精心設計自由能和耗散勢函數的形式，首次從一致粘塑性框架中推導出了率和溫度相關的拉格朗日乘子，與塑性力學領域的經典Kuhn-Tucker加/卸載準則表現出較好的兼容性，并能夠實現粘塑性變形、溫度和損傷變量的完全耦合求解。作者還建立了基于常規室內力學實驗標定模型參數的分層化校準程序，為模型的推廣使用奠定了堅實基礎。

圖2. 不同應力空間中的巖石屈服面示意圖

所提出的熱粘塑性損傷模型不僅可以在物質點水平合理表征巖石類脆性材料的率和溫度相關力學行為，同時還能真實地捕捉大型巖土工程結構的宏觀破壞模式。此外，作者通過計算分析還發現，更劇烈的熱損傷會增強巖石動態強度的應變率敏感性，并證明了該模型在預測原位地質斷層帶中巖石變形局部化誘發的溫度演化規律方面具有潛在的應用價值。

圖3. 不同溫度下的北山花崗巖單軸壓縮試驗模擬結果

貴州大學為該研究的第一完成單位，陶劍特聘教授為論文第一作者，文志杰教授為論文通訊作者。據悉，這是貴州大學首次以第一單位在《International Journal of Plasticity》期刊發表研究成果。該研究得到了貴州大學自然科學專項（特崗）科研基金項目(No. (2023) 67)，國家自然科學基金項目(Grants No：52404076、52464011、52274130、52374118 ]，以及貴州省科技支撐計劃項目(Project No. Qiankehe Support [2022] General 247)的共同資助。

論文信息：Jian Tao, Zhi-Jie Wen*, Yu-Jun Zuo, Chen Wang, Jun Wang, Xing-Guo Yang, A fully coupled rate- and temperature-dependent viscoplastic damage model for rock-like materials within the consistency framework. International Journal of Plasticity, 2024, 104211.

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641924003383#sec0023