北山花岗岩细观损伤力学本构模型研究

 甘肃北山花岗岩是一种典型的准脆性材料,与裂纹有关的非弹性变形和损伤发展是其材料劣化和结构破坏的基本力学机制。基于均质化方法和热动力学理论,提出模拟北山花岗岩非线性力学行为的损伤–摩擦耦合本构模型。把花岗岩看成是由基质和大量分布的微裂纹构成的非均质材料,并以固体基质和币型微裂纹构成的特征单元体为研究对象。通过均质化方法确定特征单元体的自由能表达式,推导出与非弹性应变和损伤变量相关联的热动力学力,分别采用关联的广义库仑摩擦准则和基于应变能释放率的损伤准则来描述非弹性应变和损伤的演化。通过损伤–摩擦耦合分析进行强度研究,获得岩石强度的解析表达式,并明确损伤抗力函数的基本特征。运用所提出的细观力学损伤模型对北山花岗岩的三轴压缩力学特性进行模拟。数值模拟结果和试验数据具有较好的一致性,可验证模型的准确性,显示多尺度本构模型的突出优点。     

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石本构关系研究

用损伤力学理论研究了细观非均匀性岩石拉伸应力应变关系(包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降阶段、应变软化阶段) ,分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过和试验成果对比分析验证了模型的正确性和有效性。     

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

脆性岩石各向异性损伤和渗流耦合细观模型

采用细观力学方法提出一个岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。其中,岩石的损伤由裂纹的状态变量来表示,损伤演化通过裂纹扩展准则来定义,并采用细观力学的分析方法由含裂纹材料的自由熵推导出裂隙岩石的本构方程。同时可以假设：由于裂纹表面的粗糙不平,在裂纹扩展的同时将引起法向开度的产生,这是材料渗透系数变化的主要原因,根据上述假设及达西定律和微观层流理论,推导出岩石特征体积单元的渗透系数表达式,从而建立岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。模拟分析表明,提出的模型与试验结果吻合很好。     

基于单轴受压的岩石三轴应变指标确定方法研究

 在单轴受压的基础上可以采用Mohr准则或Hoek-Brown准则确定三轴受压下岩石的强度指标,但应变指标的确定一直没有较好的求解办法。根据岩石在弹性极限点(损伤门槛值)处微裂纹密度变化梯度为一常量的特点,运用岩石损伤演化的宏细观损伤复合模型,通过岩石应力–应变曲线上临界损伤值及门槛损伤值的相关性,由单轴受压下在弹性极限强度点处的损伤门槛微裂纹密度值和微裂纹密度变化梯度,得到不同围压下在弹性极限强度点处的临界损伤值,应用Mohr-Coulomb准则或Hoek准则得到不同围压下的岩石峰值强度,进而得到相应的应变指标;推导由岩石单轴受压指标确定三轴受压指标的计算公式,通过计算实例和试验验证公式的合理性。     

三维大理岩弹塑性损伤及细观破坏过程数值模拟

目前对于岩石细观破坏的研究取得了一些进展,但在许多工程领域不能简单地采用弹性损伤模型分析,而要考虑岩石细观局部塑性变形对岩体强度和稳定性的重要影响.因此,基于应变空间理论导出弹塑性损伤细观模型,提出破坏单元网格消去法模拟裂纹扩展,程序自动删除损伤度为1的细观单元,使该单元在下一步计算中失去作用,利用高性能并行计算实现岩石三维破裂过程的数值模拟.对大理岩三点弯曲试样I型及I-II复合型裂纹的破坏过程进行数值模拟,研究裂纹穿晶和绕晶破坏问题,给出裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响.计算结果表明,考虑岩石细观局部塑性变形时的岩体稳定性要大于不考虑局部塑性时的稳定性,仿真试验和物理试验吻合较好,由此说明所提出的岩石弹塑性损伤破坏模型的正确性和有效性;裂纹尖端晶体强度影响穿晶和绕晶的破坏模式;破坏单元网格消去法解决有限元模拟裂纹扩展的难题,给出的模型和方法可付诸于实践.     

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析

 运用偏光显微技术,比较不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比常温～800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征,采用细观损伤力学模型研究热损伤岩石应力–应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的变化主要表现为胶结物变化及矿物相变,矿物内无明显热裂纹发育;热处理花岗岩内热裂纹发育明显,800 ℃处理后最大裂纹宽度可达100 ?m,较400 ℃时增加约1个数量级;大理岩热裂纹以晶界裂纹为主,600 ℃处理后最大裂纹宽度达20 ?m,约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低,但砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好,热损伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。     

冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究

针对寒区岩体工程中岩石的冻融问题,选取砂岩为试样,通过进行室内冻融循环试验、扫描电子显微镜观测和三轴压缩试验对砂岩质量损失、微观结构和力学特性进行了分析。然后基于Lemaitre应变等效假设理论,通过引入能够反映岩石冻融破坏过程中的细观冻融损伤变量和力损伤变量来描述岩石材料的劣化程度及损伤演化规律,并采用连续损伤力学理论,建立了冻融与围压耦合作用下岩石的损伤演化方程及细观损伤本构模型。采用理论推导的方法得出所需的模型参数表达式,最后利用冻融岩石的三轴压缩试验数据对该模型的合理性和准确性进行了验证。将试验曲线的峰值点与模型理论曲线的峰值点进行对比,结果表明两者吻合度较好,该损伤本构模型能够较好地反映岩石三轴压缩过程的应力-应变峰值特性,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性与可靠性。该模型拓展了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤模型,进一步的揭示了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤机制和破坏规律。     

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

 采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。     

岩石细观结构量化试验研究

岩石是一种多尺度材料,以往的研究大多是在宏观尺度下进行的,由于岩石在外部荷载作用下的断裂乃至破坏是由于处于细观尺度的微裂隙的增长和贯通引起的,所以对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于了解和研究岩石的力学性质有一定的意义.首先,基于损伤理论建立一套岩石细观量化试验方法,利用扫描电镜对四川锦屏大理岩进行观测,得到大量岩石细观结构图片.基于数字图像处理理论,利用区域生长算法对图片进行处理,并编制相关程序实现图像增强和图像分割,从分割后的二值化图像中提取微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等细观信息.然后,利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行统计分析,得到各参数的统计规律,进一步利用Monte Carlo理论模拟岩石细观结构体积表征单元.最后,依据几何损伤理论得到岩石细观结构体积表征单元的初始损伤张量,将其引入到G.Swoboda的损伤理论中,模拟得到单轴压缩试验和常规三轴压缩试验的应力-应变关系,并与实际试验的结果进行比较.结果显示可以较准确模拟2种力学状态下的应力-应变关系.