单轴压缩下砂岩断裂试验及细观统计损伤模型

岩石是典型的非均匀性材料,含有裂纹、颗粒胶结面等缺陷,建立三维岩石损伤破裂本构模型,真实模拟岩石宏细观力学特性,是岩石损伤力学中的首要问题之一。通过赋予损伤后细观单元一定的承压能力,使其成为"接触单元",模拟压缩状态下的物质接触愈合作用,建立考虑细观单元残余强度的统计损伤本构模型,给出损伤变量的演化规律,采用Weibull双参数分布模拟岩体细观参数的非均匀性和随机性,编制程序实现了三维模型的单轴压缩计算。开展圆柱形砂岩单轴压缩物理试验,将基于细观统计损伤模型的计算结果与物理试验结果对比。结果表明,数值模拟结果与砂岩单轴压缩试验中宏观弹性模量及单轴抗压强度一致,应力应变曲线相吻合。基于考虑细观单元残余强度的本构模型可以准确模拟砂岩试样逐渐从细观损伤累积到集聚成核断裂扩展直至破坏的全过程,数值模拟最终破坏形态特征与物理试验一致。验证了模型的有效性,为进一步采用本构开展不同荷载条件及岩体工程分析应用奠定了基础。     

岩石边坡变形破坏过程的数值流形方法模拟

采用数值流形方法对岩质边坡的变形破坏过程进行了模拟。与扩展有限元XFEM不同的是,数值流形方法通过不连续面切割数学覆盖后所生成相互独立的物理覆盖来形成流形单元。为了模拟岩体材料连续-非线性破坏时的过渡过程,本次引入粘结裂纹扩展计算模型以及带抗拉强度的Mohr-Coloumb准则判断岩体因剪切破坏而发生的起裂与扩展。最后以西南地区某水电站高边坡的渐进破坏过程为例进行了数值模拟,研究了裂纹扩展对于岩体稳定性的影响,并给出了相应的工程处理措施。     

含非贯通软弱结构面岩质边坡渐进破坏过程数值模拟

含非贯通软弱结构面岩质边坡的变形破坏过程涉及到岩体从连续转变为非连续状态的过程，是岩石边坡工程的研究重点和难点之一。采用数值流形方法研究了岩质边坡的变形破坏过程。数值流形方法模拟裂隙扩展的优势在于其数学覆盖和物理覆盖两套网格系统，不连续面切割数学覆盖后生成相互分离的物理覆盖，数值流形方法则通过物理覆盖来形成不连续面两侧相互独立的流形单元。通过在裂纹尖端引入粘结裂纹扩展模型以及岩体起裂和扩展判断准则，发展了可模拟岩体裂隙扩展的数值流形方法。最后，采用该方法模拟了西南地区某水电站高边坡的渐进破坏过程，从裂隙扩展角度研究了岩体稳定性的影响，并提出了相应的工程处理措施。     

层状岩体损伤破坏特征数值模拟

为更深入了解层状岩体的力学特性,首先基于细观损伤力学理论,运用体积平均化的方法,推导了微裂纹对岩体弹性柔度矩阵的贡献;然后基于不可逆热力学框架,导出了损伤矢量的损伤破坏方程;最后建立了层状岩体的损伤破坏本构模型,并通过数值计算模拟了层状岩体的损伤破坏特征,与室内试验结果吻合较好。巴西圆盘劈裂数值试验研究表明:岩体试样的破裂面均从加载点起裂;层理倾角0°、90°时,破裂面为通过加载中心和试样中心的近似平面,层理倾角为其他角度时,破裂面为偏离了加载中心的曲面。与室内试验结果对比可知,本文二次开发的本构模型能够较好地预测层状岩体渐进破坏的各向异性。     

含裂隙类岩试样破坏行为的宏细观数值分析

为了获得单轴荷载下裂隙岩体的裂纹扩展过程及接触力变化的规律,以石膏为相似材料制作含有2种倾角组合的裂隙试样,在刚性试验机上进行单轴条件下的破坏试验,记录裂隙试样的破裂过程。采用离散元软件PFC^2D建立数值分析模型,通过校核试验数据确定细观参数值,从宏观和细观两方面分析裂隙试样在压缩过程中微裂隙增长与轴向应力关系、接触力变化与裂纹的产生和扩展的关系,进行裂纹扩展的数值模拟和室内试验对比。结果表明颗粒间接触力分布随压缩而变得不均匀,主要集中在裂隙的端部,进而产生微裂隙,微裂隙聚集形成宏观裂纹;微裂隙数量在峰值轴向应力之前增加较缓慢,在峰值轴向应力之后迅速增加,微裂隙的增长与应力增长有一定关系;峰值轴向应力之前,观察到轴向应力暂停增加或略微下降,但微裂隙数量持续增加现象,该现象与裂纹扩展有关;用颗粒流程序能较好地分析加载过程试样内细观变化和裂纹的扩展,与试验现象吻合较好。     

动载下含孔洞岩石试样动态破坏过程模拟

采用ＲＦＰＡ３Ｄ数值模拟软件对动载下含圆形孔洞岩石试样的动态破坏过程进行了模拟，探讨了孔洞半径、应力波加载速率及峰值对含孔洞岩体动载下破坏过程的影响。研究表明，含孔洞岩体动态破坏过程及破坏强度与孔洞直径、应力波峰值和加载速率密切相关。相同动载下，随着孔洞半径的减小，非均匀性将对含孔洞岩石的裂纹扩展模式起主导作用；应力波峰值由小增大时，孔洞周边初始裂纹形态由类“一”型，逐渐变为类“Ｙ”型、类“Ｘ”型；应力波加载速率对层裂裂纹的萌生和分布有很大影响。当应力波加载速率较大时，层裂较集中地分布在模型右侧；当应力波加载速率小时，层裂裂纹出现的初始位置逐渐向模型左侧偏移；当加载速率小于一定值时，层裂裂纹将不会出现。数值模拟与岩石霍布金森压杆（ＳＨＰＢ）试验结果吻合，表明该数值模拟方法上可行，结论上可靠。研究成果反映了含圆形孔岩石试样裂纹扩展与延伸规律，可为岩体工程在动荷载作用下的防灾减灾提供参考和指导。     

单一闭合中心裂隙对岩石单轴压缩破坏特征的影响

利用颗粒流软件模拟了含单一闭合中心裂隙岩石的单轴压缩数值试验,分析了裂隙宽度、闭合裂隙长度、摩擦系数和倾角对裂隙岩石破坏特征的影响。结果显示裂隙闭合与否对裂隙岩石的强度和破坏特征存在影响;裂隙长度越小,裂隙摩擦系数越大,裂隙倾角越接近于0°或者90°时,裂隙岩石破坏特征越接近于完整岩石状态。翼型裂纹和次生裂纹的扩展形成了岩石的贯通破坏面,其中翼型裂纹表现为Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面,次生裂纹表现为Ⅱ-Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面。     

基于CT扫描的致密砂岩脆性破坏裂纹扩展规律研究

岩石在荷载作用下产生宏观破坏,其破裂面细观形态变化可以直接地反映出结构破坏特征。目前,常采用扫描电镜法、透镜法和CT扫描技术对岩石细观结构进行表征。运用CT扫描技术对典型脆性岩样单轴压缩破坏后破裂面及全断面进行扫描,获取全断面的细观形态,分析和总结了典型脆性岩样破坏细观裂纹扩展的发展规律:每一条独立裂纹都以一恒定曲率半径系数K随层位向试样内部扩展,直至裂纹曲率半径趋近于无穷。此时若无其他因素影响,其曲率半径则不会再随层位继续扩展;并通过分析定义出岩石脆性破坏状态时裂纹的聚集域和非聚集域,同时根据能量守恒定律得出了衍生裂纹及新次生裂纹产生的判据。     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

基于非线性均匀化的类岩石材料多尺度计算方法研究

为了研究类岩石材料的非填充预裂纹开裂规律,利用渐进展开理论,将塑性损伤问题进行尺度分离,得到宏观和细观增量形式的控制方程;并对颗粒生成的顺序投放方法进行改进,使产生的细观模型方便施加周期性边界条件。通过有限元软件的二次开发,实现了非线性计算均匀化方法的一般过程,并采用该方法对非填充预裂纹扩展进行数值模拟。结果表明,数值模拟的预裂纹扩展路径与室内试验吻合,翼裂纹起裂角随着预裂纹倾角的增大逐渐减小。该方法能够处理本构关系复杂的非线性问题,对类岩石材料的多尺度计算方法研究具有一定的参考意义。