考虑围压效应和强度脆性跌落的岩石全应力–应变曲线统计损伤模拟方法

为了建立能够较准确地描述岩石全应力–应变曲线的统计损伤模拟方法,针对目前统计损伤本构模型在模拟围压效应和强度脆性跌落方面存在的严重缺陷,首先,基于三轴压缩条件下脆性岩石基本变形特征,将岩石视为由软物质和硬物质两种细观化材料串联组成,建立宏细观物质变形分析模型;然后,基于瞬时应变分析方法和统计损伤理论,分别提出软物质和硬物质的变形分析方法,从而建立能够考虑围压效应和强度脆性跌落的岩石全应力–应变曲线统计损伤本构模型,给出参数的确定方法;最后,通过模型验证与分析,模型不但能够描述岩石初始宏观变形特征与围压之间的关系,也能够消除岩石轴向峰后理论变形曲线存在的随机性,从而能够较准确地模拟出岩石全应力–应变曲线,表明方法具有一定的合理性和可行性。     

预压脆性岩石动态宏细观力学模型研究

预压应力脆性岩石动力特性研究,对深部地下工程围岩变形评价有重要实践意义。细观裂纹扩展严重影响预压脆性岩石动态力学行为。基于细观裂纹扩展与应力关系模型、裂纹速率与动态断裂韧度模型、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与应变关系模型,提出了一种考虑预压轴向应力及围压的脆性岩石承受动态荷载作用下的宏细观力学模型。其中裂纹速率与应变率关系模型是通过对应变相关的裂纹长度求解时间导数获得。应变率与应变关系模型描述了预压岩石动态荷载导致的应变率随应变演化曲线。研究了不同预压轴向应力及应变率影响下的脆性岩石应力-应变关系曲线,并利用试验结果验证了模型的合理性。讨论了围压、初始裂纹尺寸、初始裂纹角度、及初始裂纹摩擦系数对预压应力岩石的动态应力应变关系、预压裂纹长度、预压轴向应变、及动态峰值强度的影响。主要研究结果:预压应力越小、围压越大、初始裂纹面尺寸越小或初始裂纹摩擦系数越大,则预压轴向应变及裂纹长度越小,且预压岩石动态强度越大。     

高渗透压作用脆性岩石宏细观力学本构模型

高渗透水压作用驱动的脆性岩石内部细观裂纹扩展,对岩石宏观力学特性研究有着重要意义。提出一种考虑渗透水压驱动裂纹扩展作用下的,脆性岩石应力–应变本构关系宏细观力学模型。该模型考虑了渗透水压对岩石初始裂纹面与新生成翼型裂纹面的影响。渗透水压弱化了初始裂纹面法向应力作用,同时强化了新生成翼型裂纹扩展驱动力,这2种裂纹面渗透水压作用构成了渗透水压驱动裂纹扩展机制。其中,在新生成翼型裂纹扩展驱动力的理论分析中,引入一个渗透水压导致的翼型裂纹面张拉力变量F_p,该变量对于渗透水压导致脆性岩石裂纹扩展直至失效起到了关键作用。然后,结合基于宏细观损伤定义建立的裂纹扩展与宏观变形联系,建立渗透水压诱发细观裂纹扩展导致的应力–应变本构关系。研究渗透水压对应力–应变关系曲线的影响,并对比试验结果,验证了理论模型的合理性。分析渗透水压导致的翼型裂纹面张拉力,以及翼型裂纹面张拉力与初始裂纹面张拉力比值(F_p/F_w),随裂纹扩展变化的规律。讨论渗透水压对裂纹启裂应力与峰值强度的影响。     

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。     

单轴加载状态下岩石多参数损伤本构模型研究

基于单轴压缩声发射实验,以加载中岩石的声发射和塑性体积应变为损伤变量,建立一个多参数损伤本构模型,研究了岩石的损伤演变规律。研究表明,岩石损伤本构模型和试验应力应变曲线能很好地吻合,峰值强度之前理论值略大,峰值强度之后理论值下降较快;岩石损伤随轴向应变的增加而增大,峰值强度之前岩石损伤随加载而增加,峰值强度之后岩石轴向应力减小而损伤增加;该损伤本构模型获取的应力应变曲线和损伤值能综合体现岩石的声发射和塑性体积应变的发展。     

基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型研究

为准确表征岩石细观裂纹扩展演化过程的力学特性。基于唯象理论,将岩石细观结构概化为完整岩石微元体、裂纹扩展损伤微元体和孔隙三个部分;利用微元体间的静力平衡关系,构建岩石细观受力模型。在此基础上,根据岩石裂纹扩展演化特征,提出利用生物阻滞增长模型表征岩石裂纹扩展长度;基于几何损伤理论,建立裂纹扩展长度与损伤的定量关系,构建岩石裂纹扩展损伤演化方程;并利用断裂力学求解裂纹扩展损伤微元体的实际应力;通过将裂纹扩展损伤和损伤微元体实际应力引入岩石细观结构静力平衡方程,考虑软岩压密阶段非线性变形的影响,建立基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型;最后,提出模型参数的确定方法,并探讨模型参数对岩石力学性质的影响规律。结果表明：该模型能较好表征岩石裂纹扩展过程的应力应变特征,与实验结果吻合度较高,且模型参数物理意义明确。     

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。     

单轴压缩条件下花岗岩变形与破坏特征试验研究

为准确得到甘肃北山核废料地质处置区花岗岩围岩强度与变形特征。在MTS815岩石电液伺服机上对花岗岩进行了单轴压缩试验,并对试验结果进行了系统的分析。结果表明:北山花岗岩在单轴压缩条件下形成了平行于轴压方向上的张拉裂纹,而在达到峰值强度后裂纹迅速扩展,并纵向贯通,将岩石分为竖向块体,呈现出脆性破坏特征;将花岗岩石峰前应力应变曲线分为四个阶段,初始压密、弹性变形、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展阶段。应用裂纹体积应变模型求得各阶段终止时分别对应岩石的四个特征应力值:起裂应力、弹性应力、损伤应力和峰值应力;依据裂纹体积应变概念,将轴向应变与径向应变分为裂纹应变与弹性应变,提出可以通过比较轴向与径向裂纹应变间的大小来确定其起裂方向。     

非均匀性岩石破坏过程的三维损伤软化模型与数值模拟

通过建立岩石三维细观损伤软化力学模型,结合统计技术考虑岩石细观非均匀性,编制了岩石破裂过程分析软件RFPA3D,模拟了单轴压缩下不同细观残余强度下的三维应力场变形场分布以及破坏形态,分析了细观结构非均匀性和残余强度对岩石损伤软化过程和宏观力学性能的影响。结果表明,岩石损伤破裂过程中应力–应变关系、残余变形特征和峰值强度不仅与结构相关,而且与细观损伤软化模型、细观非均匀性和残余强度紧密相关。     

考虑节理裂隙尺寸与方位分布的岩石统计损伤本构模型研究EI北大核心CSCD

为建立细观损伤与岩石宏观变形之间的定量关系,基于岩石强度的Weibull概率分布特征,结合损伤力学理论、统计强度理论与分形理论,考虑节理裂隙尺寸为分形分布和方位为正态分布的情况,建立岩石统计损伤本构模型和损伤演化方程,分析了损伤演化途径。给出与裂隙尺寸、尺寸分形维数和产状相关的本构模型参数,讨论了模型参数的物理意义和影响因素。结合前人试验测试结果加以验证,分析了统计损伤本构模型的合理性与不足之处。     

洱海泥炭质土动剪切模量和阻尼比试验研究

为探究洱海地域泥炭质土动力学特性,利用GDS动三轴仪对重塑土样进行循环加载试验,得到了一系列围压、固结比、频率控制条件下的泥炭质土动应力-应变关系曲线,分析了不同围压、固结比、频率对土体动剪切模量G_d、动剪切模量比G_d/G_dmax和阻尼比λ的影响规律。结果表明:动剪切模量G_d随剪应变γ_d增大而减小,γ_d较小时,衰减速率较小,随着γ_d继续增大,衰减速率先增大后减小;在同一剪应变下,G_d随围压、固结比增大而增大,G_d对频率变化表现不敏感;采用Hardin-Drnevich双曲线模型(H-D模型)对重塑泥炭质土动应力-应变曲线拟合效果较好,动剪切模量比G_d/G_dmax随剪应变γ_d增大而减小,围压、固结比和频率对G_d/G_dmax的衰减规律无明显的倾向性;阻尼比λ随剪应变γ_d增大而增大,围压对λ变化规律影响较复杂,γ_d较小时,λ随围压增大而减小,γ_d较大时,λ随围压增大而增大;固结比越大,λ越大,频率越大,λ越小,λ对频率变化表现更敏感,体现了循环加载下泥炭质土的速率效应。     

湿态混凝土抗压强度与本构关系的细观力学分析

采用细观断裂力学的方法研究湿态混凝土在外部荷载的作用下，裂纹及孔隙中水压力的大小和影响因素及其对混凝土受力性能的影响。根据湿态混凝土中裂纹的扩展规律，采用分枝型裂纹来研究湿态混凝土的抗压强度，利用能量等价原理来探讨湿态混凝土的本构关系和损伤特征。研究结果表明：（1）分枝型裂纹模型可较好地反映混凝土的体积变形和强度特征；（2）混凝土中的孔隙水压力减小阻碍混凝土开裂的摩阻力，因而加速混凝土的损伤和微裂纹的扩展；（3）与干燥态的混凝土相比，湿态混凝土的抗压强度降低，峰值应变减小，在同一应力水平下湿态混凝土的侧向变形增大。     

三轴压缩条件下单裂隙花岗岩破坏特性研究

基于常规三轴压缩室内试验分析不同倾角和张开度的单裂隙花岗岩宏观破坏特性,进一步结合颗粒流离散元分析法,对裂纹扩展、能量转化等规律进行探究,结果表明:裂隙倾角α对岩石力学特性影响显著,随着α增加,弹性模量呈现单调增大趋势,同时三轴抗压强度表现出先减小后增大规律,在约60°时达到最小值;随着裂隙倾角的增加,岩石破坏模式逐渐由拉剪混合破坏向宏观剪切破坏转变;裂隙张开度增大,将导致岩石三轴抗压强度大幅下降,围绕初始预制裂隙形成更宽的破碎带;岩石破坏过程中,裂纹数量整体呈“S”型累积,其突变点与应力 应变曲线的弹、塑性和破坏特征点一致;能量耗散与细观劣化特征具有较好的相关性,岩石结构劣化及失稳破坏本质上是能量储存、耗散、释放的过程。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。     

合肥地区重塑非饱和黏性土强度特性试验研究

利用非饱和土三轴仪,对合肥地区非饱和黏性土的重塑样进行了控制基质吸力的三轴剪切试验。研究结果表明,控制吸力和净围压为常数的重塑非饱和黏性土三轴排水剪切试验的应力-应变关系呈现应变硬化的力学特征,且在试验条件范围内,净围压越大,硬化特征越强,吸力越小,硬化特征越强;重塑土样的强度参数粘聚力c值和内摩擦角φ值随吸力的增加都有一定程度的增加,且在试验吸力范围内,c值和φ值均呈良好的线性增长趋势,且c值的增长幅度明显大于φ值。     

柱状节理岩体侧向变形特性单轴压缩试验研究

由于柱状节理网络的存在,柱状节理岩体在单轴压缩下沿柱状节理的滑移、松弛或局部破裂将产生较大的外观侧向变形,相应的侧向应变与轴向应变之比(以下简称侧向应变比)将大大超出连续介质泊松比上限值0.5。正确把握柱状节理岩体较大侧向变形特性,是地下洞室等大型柱状节理岩体工程设计需要解决的关键问题之一. 为此,以石膏混合材料制作柱体与σ₁具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到了模拟柱状节理岩体侧向应变比ν_r随β的变化曲线,曲线近似为倒“U”型,并在β=30°时取得最大值,在此基础上根据模拟柱状节理岩体的破坏模式对其侧向变形力学机理进行了分析。最后,参照Ramamurthy各向异性经验模型构建了预测柱状节理岩体侧向应变随夹角β变化的经验公式,将经验预测值与试验实测值进行比较发现两者吻合较好,该经验公式可以较好地预测侧向应变随夹角β的变化趋势。     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明:(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_j/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°~60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。