岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

页岩卸荷能量演化特征试验研究

隧道、硐室和矿井等地下空间,应力卸荷是导致岩体破坏的主要原因之一。因此,为研究卸荷条件下的岩石破坏行为,以页岩为研究对象,开展恒定轴压卸围压三轴压缩试验。基于能量耗散与释放原理,分析试验不同阶段能量演化规律及临界围压对试样吸收的总能量和耗散能的影响,探讨卸荷条件下岩石破坏条件。研究结果表明,卸荷试验能量变化主要分为能量聚集阶段、能量耗散阶段和能量释放3个阶段:(1)外力对试样做的功主要以弹性能形式存在;(2)外力所做的功主要耗散于微裂纹形成、扩展,岩石强度降低,此阶段耗散能迅速增加而弹性能基本保持不变;(3)当岩石强度降低到一定程度时,弹性能瞬间释放,岩石破坏。     

龙滩工程岩石试件在拉伸条件下的变形特性试验研究

由于试验设备和技术方面的原因,岩石拉伸试验相对于岩石压缩试验要复杂和困难许多。在很多情况下,岩体工程的破坏是从岩石受拉破坏开始的。为测定龙滩工程岩石在张拉破坏条件下的极限拉应变,了解岩石在张拉破坏条件下的应力–应变关系和力学特性,介绍了用直接法测定岩石在拉伸条件下的应力–应变曲线,并对直接拉伸条件下岩石的应力–应变曲线进行了分析。同时,对比了直接拉伸法和劈裂法测定工程岩石力学特性的不同之处。     

等效晶质模型及岩石力学特征细观研究

 基于颗粒流理论与颗粒流程序,采用颗粒体模型与光滑节理模型,构建具有岩石矿物细观结构特征的等效晶质模型。通过室内试验与计算结果的对比分析,验证等效晶质模型在岩石力学特征研究中的适宜性与可靠性;同时,从细观角度深入揭示岩石在加载条件下的破裂机制与强度特性。主要研究结果如下：(1) 在单轴拉伸条件下,岩石近似与加载轴向相垂直的宏观断裂面,主要由相邻晶质体边界上的黏结张拉破坏构成;(2) 在单轴压缩或低围压三轴压缩条件下,岩石近似与加载轴向相平行的宏观断裂面,主要以相邻晶质体边界上黏结张拉破坏为主,导致岩石产生宏观劈裂破坏;(3) 在高围压三轴压缩条件下,与加载轴向呈一定夹角贯通岩石内部的宏观断裂面,主要以晶质体内张拉破坏以及相邻晶质体边界上黏结张拉、剪切破坏构成,导致岩石产生宏观剪切破坏;(4) 对于类似于花岗岩的硬脆性岩石而言,采用等效晶质模型可再现岩石较低的单轴抗拉与单轴抗压强度比值,且其强度特性采用Hoek-Brown强度准则描述更为合理。     

含交叉裂隙岩石试样单轴力学特性与破坏机理

为系统性地研究节理岩体在单轴压缩试验条件下其力学特性及破坏机理,利用MTS-815岩石试验装置对完整岩石试样、不同构型单裂隙和交叉裂隙岩石试样进行单轴压缩试验,分析了各构型试样的力学参数及能量演化规律。与完整岩石试样力学参数相比,含单裂隙岩石试样的强度和弹性模量相对较小,含交叉裂隙岩石试样各项参数值最小。在加载过程中,含交叉裂隙岩石试样用于裂纹产生及发展的耗散能远大于完整岩石试样和含单裂隙岩石试样。一般地,含交叉裂隙岩石试样裂纹从预制交叉裂隙尖端起裂,首先贯通同侧预制裂隙形成反翼型裂纹,最终呈拉伸劈裂型破坏。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

压缩条件下岩石断裂模式与断裂判据的研究

针对岩石类材料压缩断裂中可能发生的Ⅰ型张拉断裂和Ⅱ型剪切断裂的现象 ,依据裂纹尖端应力集中引发的微裂纹损伤性质 ,提出了主裂纹尖端“微裂纹单元应力模型”的概念。通过对不同方位微裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子变化规律的研究 ,以比应力强度因子和比断裂韧度作为表征参数函数方程 ,提出了压缩条件下岩石类材料复合型裂纹断裂模式与断裂破坏的判据。该判据既可以预测岩石内部斜裂纹在压应力下的Ⅰ型扩展 ,也可以预测它的Ⅱ型扩展。由此判据 ,还给出了Ⅱ型断裂出现的条件 ,讨论了不同的影响因素。其结果较好地说明了实验现象     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

岩石类材料压缩断裂的实验与理论研究

博士学位论文摘要 针对含裂纹岩石压缩断裂的性质，进行了较为全面和深入的实验研究、机理分析和理论模拟。了解并掌握了岩石压缩断裂的主要规律，提出了相应的判据和模拟模型。 实验研究采用的是含中心斜裂纹的矩形石膏试件，加载方式为单向或双向施压。分别对张开型裂纹，闭合型裂纹和不完全闭合型裂纹等不同的裂纹状态，进行开裂位置、开裂角、临界载荷、压应力集中、拉应力区、断裂模式及Ⅱ型断裂条件等实验观察和研究。其中，为实现实验受力要求，自行设计并研制了液压伺服自动控制的横力加载装置，与电子万能试验机一起构成了有效的二向压缩状态。数据采集采用密集应变片布点，配合多通道动态应变测量系统，对裂纹附近应力变化实施全程监控。压缩裂纹设计为不同短长轴比的各种扁椭圆形状，裂纹倾角从0°到90°等间隔安排，以反映出压缩断裂过程的变化规律。等量增加围压轴压比系数和改变裂纹面摩擦系数，探寻Ⅰ型断裂模式向Ⅱ型断裂模式转变的条件。 基于实验结果以及相关数据分析，并结合力学模型和复变函数方法，研究了岩石压缩断裂各主要现象的产生机理。着重研究裂纹起裂的应力特征；压应力强度因子性质，它的变化规律及其对断裂的影响；Griffith型断裂（裂尖开裂）的几何范围和限定条件；裂     

基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。     

模拟岩石材料破坏的有限元方法

介绍一种能够模拟岩石材料破坏过程的有限元方法,该方法引入单元分裂和界面分离技术描述破坏引起的材料几何拓扑结构变化,采用接触单元表征破坏界面,借助动态松弛方法完成求解。该有限元方法主要针对岩石材料的张拉和剪切两种破坏形式,通过计算实例验证该方法的适用性。     

冻融循环后轻骨料混凝土双轴拉(劈拉)压强度试验和破坏准则研究

进行海水中不同冻融循环次数后轻骨料混凝土双轴拉(劈拉)压状态下的强度试验,考察试件的破坏形态和表面裂缝的走向特征。根据试验结果分析双轴拉压状态下的极限抗压、劈拉强度随冻融循环次数和应力比的变化规律。并在此基础上,建立不同冻融循环次数后主应力空间的破坏准则和考虑冻融循环影响的八面体应力空间的统一破坏准则,为寒冷海洋环境条件下轻骨料混凝土结构在经受拉压组合荷载作用时的强度分析提供试验和理论依据。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。     

岩石材料裂纹尖端起裂特性研究

 通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),运用断裂力学方法深入探讨远场拉–压、压–压应力组合下裂纹尖端起裂特性。在最大周向应力准则中考虑T应力的影响作用,并将其作为拉伸破裂判据;在剪切破裂方面,提出考虑法向应力影响的最大剪应力准则。通过对拉伸和剪切破裂发生条件的探讨,进一步阐明剪切破坏与裂纹倾角、内摩擦角、抗拉强度、黏聚力等参数之间的关系。研究结果表明,Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂角有重要的影响,所提出理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。随着内摩擦角的增大,剪切破裂减弱而拉伸破裂增强。随着黏聚力增大或者抗拉强度降低,拉伸破裂增强而剪切破裂减弱。     

基于应变的脆性岩石破坏强度研究

在三轴压缩条件下，岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏2种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中，哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此，不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和室内试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，应变破坏准则的变化与岩石抗压强度、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。     

基于应变的岩石类脆性材料损伤研究

在三轴压缩条件下岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏两种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和实验室试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，岩石应变破坏准则的变化与抗压强度准则、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。     

Phenomena and theoretical analysis for the failure of brittle rocks

Rockburst, an unstable failure of brittle rocks, has been greatly concerned in rock mechanics and rock engineering for more than 100 years. The current understanding on the mechanical mechanism of rockburst is based on the Coulomb theory, i.e. compressive-shear failure theory. This paper illustrates a series of tensile and tensile-shear fracture phenomena of rockburst, and proposes a methodology for the analysis of fracture mode and its energy dissipation process based on Griffith theory. It is believed that: (1) the fracture modes of rockburst should include compressive-shear, tensile-shear and pure tensile failures; (2) the rupture angle of rock mass decreases with the occurrence of tensile stress; (3) the proportion of kinetic energy in the released strain energy from a rockburst may be much larger than that transferred into surface energy; and (4) the understanding on the tensile and tensile-shear failure modes of rockburst may change the basic thinking of rockburst control, i.e. from keeping the reduction in initial compressive stress σ3 to restricting the creation of secondary tensile stress.     

Application of the expanded distinct element method for the study of crack growth in rock-like materials under uniaxial compression

The expanded distinct element method (EDEM) was used to investigate the crack growth in rock-like materials under uniaxial compression. The tensile-shear failure criterion and the Griffith failure criterion were implanted into the EDEM to determine the initiation and propagation of pre-existing cracks, respectively. Uniaxial compression experiments were also performed with the artificial rock-like samples to verify the validity of the EDEM. Simulation results indicated that the EDEM model with the tensile-shear failure criterion has strong capabilities for modeling the growth of pre-existing cracks, and model results have strong agreement with the failure and mechanical properties of experimental samples. The EDEM model with the Griffith failure criterion can only simulate the splitting failure of samples due to tensile stresses and is incapable of providing a comprehensive interpretation for the overall failure of rock masses. Research results demonstrated that sample failure primarily resulted from the growth of single cracks (in the form of tensile wing cracks and shear secondary cracks) and the coalescence of two cracks due to the growth of wing cracks in the rock bridge zone. Additionally, the inclination angle of the pre-existing crack clearly influences the final failure pattern of the samples.