冲击荷载作用下岩石破坏机理预测

将岩石看作由彼此之间有内摩擦的颗粒团组成。利用力学模型分析了在冲击荷载作用下岩石破坏过程,阐述了岩石破坏后的力学行为。认为冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态。冲击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲击波的短波,在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生参数的急剧变化。根据岩石介质中粒子运动速度的强弱应力状态发生由弹性状态向内摩擦状态的转变,最终达到流体力学状态。     

岩石非线性黏弹性蠕变特性的时温等效效应

岩石的时温等效效应是指岩石在低温、长时间尺度下与在高温、短时间尺度下的流变力学特性等效的效应。利用岩石的时温等效效应,可以通过提高试验温度方法得到岩石在相对低温下的长期流变力学特性。为研究岩石在非线性黏弹性条件下的时温等效效应,基于Schapery单积分型的非线性本构方程,得到了岩石非线性黏弹性蠕变力学特性时温等效效应的数学表示。根据不同应力及温度下花岗岩的蠕变试验结果,设定20 ℃为参考温度,考虑温度改变对岩石瞬时蠕变柔量的影响,得到了垂直移位因子随温度的变化规律及修正后的蠕变柔量的时间对数曲线;对修正后的曲线进行水平移位使得相邻温度曲线之间相交于一点,得到不同应力下蠕变柔量的主曲线及水平移位因子的变化规律;主曲线中相邻温度曲线之间的一致性较好,进一步验证了花岗岩时温等效效应的存在性。通过对不同应力下的垂直移位因子和水平移位因子的变化规律分析,发现应力为40～60 MPa之间的非线性并不明显,但到87 MPa,非线性特性明显增强。     

冲击荷载下红砂岩非线性黏弹性损伤本构研究

根据红砂岩在冲击荷载作用下应力曲线表现出的明显的分段特征,以朱王唐本构模型为基础进行改进,建立了一种非线性体、Maxwell体和基于Weibull分布的损伤体并联的本构模型;根据红砂岩动态力学特性,对朱王唐本构模型进行简化,并基于Lemaitre等效应变假设推导出一种率型损伤本构方程.对两种新建本构方程进行试验验证,讨...     

土体动非线性黏弹性模型及其ABAQUS软件的实现

基于土的动应力-应变关系--Davidenkov骨架曲线,采用破坏剪应变幅上限值作为分界点,对Davidenkov骨架曲线进行了修正,即当剪应力值大于破坏剪应力值时,土体产生破坏,土体的动剪切模量采用破坏后的动剪切模量;参考Mashing法则,构造了修正后的Davidenkov骨架曲线土体加卸载对应的应力-应变滞回圈曲线。基于ABAQUS软件的操作平台,开发了土体动弹塑性本构模型的子程序。选择南京某个典型软弱场地为研究对象,首先输入余弦加速度时程曲线,然后选取一条强震加速度记录作为基岩输入地震动,对不同峰值加速度水平下该场地的地震反应进行了二维有限元非线性分析,计算结果验证了所建模型的准确性和可用性。     

拉伸荷载作用下岩石的细观损伤力学模型

本文建立了拉伸荷载作用下岩石的二维、轴对称和三维细观损伤力学的有效场模型，分析了岩石中的裂纹扩展过程，求得了损伤柔度的表达式，并给出了相应的算例，数值模拟结果与Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的计算结果以及实验结果进行了对比，结果表明Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的数值模拟结果与实验结果有较大的误差，而本文提出的数值模拟结果则与实验结果具有很好的一致性。     

岩土工程中一类双重非线性问题的处理方法

针对土体和土体与结构接触面上的双重非线性性质,提出了采用理想弹塑性模型来模拟土体和采用非线性弹性-理想塑性模型来模拟土体与结构接触面相结合的方法,详细叙述了该方法的原理和数值实现方法。编制了面向对象的有限元计算程序,通过对地基极限承载力的计算验证了理想塑性模型的正确性,通过对一个受弹性基础梁作用的弹塑性地基分析验证了本文方法的适用性。计算结果表明,该方法简单实用,有一定的推广应用价值。     

三轴冲击荷载作用下淤泥力学响应研究

利用SPAX-2000（改进型）静动真三轴系统,针对淤泥类超软土进行静动力排水固结试验,研究包括较高频率在内的各冲击荷载频率（1、8、16 Hz）与不同围压（200、250、300 kPa）作用下淤泥的力学响应;此外,结合三轴剪切试验研究不同固结条件对淤泥不排水强度的影响。试验结果表明：（1）在相同冲击频率作用下,试样抗剪强度随着围压增大而提高;围压增大,使得球应力增大,体应变随着增大,有效地促进试样排水固结。（2）相同围压作用下,存在着一个冲击荷载频率阈值,当冲击频率低于这一阈值时,随着冲击荷载频率的提高,轴向应变量逐渐变小,反之逐渐变大。（3）冲击瞬间,体应变为负值,表现为体胀,这与原位试验夯击瞬间的孔隙水压力变化曲线一致,从而验证了高含水率淤泥在冲击作用下的孔压负增长现象。     

软土考虑K0固结非线性弹性模型的研究及其应用

通过研究软土各向等压固结不排水三轴试验和K0固结不排水三轴试验的应力-应变关系的归一化性状,建立一个软土考虑K0固结非线性弹性模型,并结合工程实例,检验其适用性.     

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型（MT模型）。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。     

冲击载荷作用下岩石动态断裂试验研究

以自行研制的可调速落锤冲击试验机进行加载,通过高速相机搭建数据采集系统,采用数字散斑相关方法作为试验的观测方法,开展5组不同预制裂纹长度的花岗岩试件在冲击载荷作用下的动态断裂试验。并对岩石I型裂纹在冲击载荷作用下的位移场演化、裂纹动态断裂的裂尖张开位移、裂纹尖端的扩展历史、动态断裂的应力强度因子进行了定量研究。试验结果表明：对于单一试件而言,在落锤开始与岩石试件的边界接触到试件的预制裂纹开始扩展整个过程中,裂纹尖端的应力强度因子KI呈递增趋势,KII与KI相比,相差1～2个数量级。对于不同预制裂纹试件,在落锤冲击加载作用下,总体表现为一定的预制裂纹长度范围内,随着预制裂纹的长度增加,裂纹尖端应力强度因子呈增加的趋势。     

分级循环荷载下岩石动力学行为试验研究

利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了分级循环荷载试验,研究了岩石的动弹性模量对应力幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和耗散能随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律。试验结果表明,分级循环荷载下岩石的能量耗散越多,动弹性模量越小;应力水平越高,动弹性模量和耗散能越大;含水率和应力幅值越大,动弹性模量越小,耗散能越大。讨论了邓肯-张模型能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,构建了动弹性模量随应力水平、应力幅值及含水率变化的演化模型,探讨了模型参数的确定方法。根据能量耗散的经验法则,建立了耗散能演化模型,结果表明,该模型能够描述分级循环荷载过程中能量耗散行为。     

卸荷过程岩体中弹性波波速变化分析

伴随岩体卸荷过程,岩体内部应力状态要进行调整,同时岩体内部几何结构也要发生变化。由于卸荷过程应力状态变化很复杂,文中利用卸载过程中岩体内部几何结构的变化来反映卸载过程,通过岩体几何结构对弹性波传播的影响来分析卸载过程的波速。为考虑弹性波作用下局部裂纹的相互作用,采用双裂纹模型近似分析。在双裂纹体系内部采用“相互作用”分析法,以部分考虑波在岩体内的多次散射;在双裂纹体系之间采用线性叠加分析法,以考虑岩体中缺陷影响的局部化。通过节理裂隙的张开程度和节理裂隙的张开率描述卸载过程对双裂纹体系的影响,由此,对比分析了开挖卸载过程中四种不同的玄武岩与主频25 kHz和主频1 kHz对应的弹性波波速的变化。结果表明,随着卸载过程的推移,主频25 kHz声波和主频1 kHz地震波对应的相对波速逐渐减小,但声波波速的减小幅度要比地震波减小的幅度小,声波波速可以降低到原来的80%,而地震波波速可以降低到原来的50%。结论对于水利工程、隧道工程等建基面的验收和评价有很好的指导意义     

Coalescence of offset rock joints under biaxial loading

Crack coalescence in rock masses was studied by performing a series of biaxial compresion tests on specimens made of rock-like material. Specimens of size 63.5 × 27.9 × 20.3 cm, made of 72% silica sand, 16% cement (Type I) and 12% water by weight were tested. The joint inclination angle was maintained at 45°, while the offset angle i.e. angle between the plane of the joint and the line that connects the two inner tips of the joints, was changed from 0° to 90° with an increment of 15°. Three levels of lateral stress were used; 0.35 MPa, 0.7 MPa and 1.5 MPa on each sample. HP data acquisition system was used to record the data for each sample. In each sample, four LVDTs were fixed to measure the axial and lateral displacement along the sample. The failure mechanisms were monitored by eye inspection and a magnifier to detect crack initiation and propagation. For each test, the failure surfaces were investigated to determine the characteristics of each surface. Wing cracks initiated at the tip of the joint for the low confining stress applied, while at higher confining stresses wing cracks also initiated at the middle of the joint. Secondary cracks initiated at the tip of the joint due to shear stress. Three modes of failure took place due to coalescence of the secondary and wing cracks. The bridge inclination was the main variable that controlled the mode of failure. For bridge inclination of 0°, the coalescence occured due to shear failure and for bridge inclination of 90° the coalescence occurred due to tensile failure while for the other bridge inclinations coalescence occured due to mixed tensile and shear failure.     

循环加-卸载岩石本构模型研究

循环加-卸载岩石本构模型是预测压气储能洞室长期稳定性的关键,但目前还没有适用的本构模型,因此,提出了一种能够描述岩石循环加载和卸载的本构模型。鉴于岩石在循环作用下损伤不断累积,将基于Weibull分布的岩石损伤软化模型进行拓展,并用内变量疲劳本构模型描述每个循环的初始模量和卸载模量的变化,进而得到循环加-卸载作用下的岩石本构模型,然后将该模型与现有的试验结果进行对比。该模型物理意义明确,涉及的参数较少,且便于拟合。提出的循环加-卸载下岩石本构模型对试验数据拟合效果较好,能较准确地反映循环荷载上、下限值对应的轴向应变,也能反映出循环内部变形模量衰减的趋势。该模型的成功建立为循环加-卸载下岩石本构模型的研究提供了新思路。     

多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。     

一种基于弹性应变能的裂隙岩体等效弹性模量评价方法

基于线弹性断裂力学裂隙面张开位移及剪切位移理论公式,考虑裂隙存在常法向和常切向刚度情况,研究了含单个裂隙岩体加载过程中由于裂隙存在而附加的弹性应变能。基于应变能等效方法并假设两种裂隙变形模型--非均匀变形模型和均匀变形模型,研究了二维非贯通裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量解析表达式。研究结果表明,对于贯通裂隙规则分布情况,均匀变形模型得到的解析解与Amadei等的结果一致;对于非贯通裂隙正态分布情况,考虑裂隙相互作用的非均匀变形模型解明显低估裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量,而考虑裂隙相互作用的均匀变形模型解与有限元数值解的偏差在10%以内。得到的解析表达式在一定条件下可以作为裂隙岩体等效弹性模量评价方法之一。     

加载速度对断层-围岩系统变形及快速回跳的影响

在平面应变状态下,采用拉格朗日元法模拟了加载速度对断层-围岩系统形成时的应力水平、塑性区尺寸及剪切带图案、系统的最大承载能力以及快速回跳发生时的应力水平的影响。在数值计算中,采用了莫尔-库仑与拉破坏复合的破坏准则。峰后岩石的本构关系为线性应变软化。通常断层带-围岩系统形成之后系统的承载能力达到最大,之后系统的承载能力开始下降处于应变软化状态。当位于试样加载端上的单元的压缩应力-压缩位移曲线的峰后刚度足够大时,系统就会发生弹性回跳现象,即失稳破坏。随着加载速度的增加,断层带-围岩系统形成时的应力水平、断层带-围岩系统的最大承载能力、快速回跳发生时的应力水平及上述三者所对应的加载端部位移都增加,屈服单元数目增多,塑性区域不再保持平直,这都将大大增加系统的变形阻力。当加载速度较大时,较高的剪切应变率集中在断层带位置及断层带之外的弹性体的某些区域都是可能的。