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。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

冻融荷载耦合作用下节理岩体损伤本构模型

 针对寒区节理岩体,提出冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤的概念。基于Lemaitre应变等效假设,推导冻融受荷条件下考虑节理岩体宏细观缺陷耦合的复合损伤变量。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,建立节理岩体冻融受荷损伤本构模型,引用试验资料对模型的合理性进行验证。研究结果表明：(1) 岩石在冻融循环过程中引起的细观损伤是一个周期性疲劳破坏的过程,冻融细观损伤随冻融次数近似线性增加,单次冻融循环对岩石造成的损伤较小,为局部损伤;岩石在受荷过程中引起的细观损伤随应变的演化率呈不均匀分布,峰值应变处受荷损伤演化率最大。(2) 预制节理对岩石造成的宏观损伤具有明显各向异性,随冻融循环次数的增加,节理岩样的宏观各向异性有所弱化,弱化程度同节理性质和冻融循环次数有关。(3) 寒区受荷节理岩体的力学性能由冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤及其耦合效应所决定,节理岩体冻融受荷复合损伤变量可以较好地反映节理岩体的抗冻性能。     

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。     

冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究

开展宏细观尺度的岩石损伤演化规律是评价冻岩力学性质劣化过程的基础。以含开口裂隙砂岩为对象,从开口裂隙体积的角度,基于称重法提出宏观损伤变量的计算方法;结合长期冻融循环下岩样成分及物理力学性质变化特性,对张开孔隙率之差进行了合理修正,由此得到冻融作用下的细观损伤变量;考虑荷载作用下初始孔隙、裂隙压密的特点,采用统计损伤力学理论,建立荷载作用下细观损伤变量计算模型;并通过基于Lemaitre应变等效假设的宏细观总损伤计算方法,计算得到宏细观耦合总损伤;根据推广后的应变等价原理,构建了考虑初始压密段影响的总损伤本构模型。为了验证模型的合理性,采用预制的含0°,30°,45°,60°,90°倾角的裂隙砂岩岩样和完整砂岩岩样,开展多次冻融循环后的物理力学性质试验。研究结果表明：冻融循环次数较少时,冻融损伤变量增长较快,冻融损伤变量随循环次数的增加逐渐趋于稳定并缓慢增加;裂隙倾角对砂岩岩样内部微孔隙、微裂隙的扩展影响表现为损伤变量的增速不同,含45°倾角岩样的冻融损伤变量增速最大,冻胀力引起含45°倾角岩样的微孔隙、微裂隙扩展速率最快;细观总损伤模型和宏细观耦合总损伤模型曲线演化规律趋于一致,冻融...     

考虑裂隙闭合和摩擦效应的节理岩体能量损伤理论与应用

基于能量等效原理,建立了考虑裂隙闭合和裂隙表面摩擦效应的节理裂隙岩体本构关系,推导了预度张量及其增量的表达式,并将该研究成果应用于三峡船闸岩体稳定性分析。计算结果表明,本模型可以较好地反映节理裂隙岩休的力学特性及开挖过程中围岩渐进破坏的规律。     

多裂隙岩体三维加锚损伤断裂模型及其数值模拟与工程应用研究

 博士学位论文摘要　利用断裂力学理论、损伤力学理论和三维非线性有限元数值分析方法系统研究了断续多裂隙岩体的力学变形特性、强度特性和空间损伤岩锚支护效应。(1) 根据断续节理面几何特征的概率统计模型, 推导出了节理面主要几何特征参数的数学计算表达式, 为正确分析裂隙岩体的力学变形特性提供了重要的节理面几何特征参数保证。(2) 根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量转换与能量变化, 建立了多裂隙岩体的能量损伤演化方程。(3) 根据脆性岩体的损伤变形机制, 建立了脆性岩体在初始损伤和损伤演化状态下的三维脆弹性损伤断裂本构关系。(4) 考虑多裂隙岩体的损伤变形机制, 通过引入有效应力反映损伤与塑性变形的耦合效应, 并根据能量损伤演化方程、不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。(5) 根据锚杆、锚索对裂隙岩体的支护、加固作用机理, 建立了多裂隙岩体锚杆支护的空间损伤岩锚单元支护模型和锚索加固的空间加索损伤岩体联合作用模型。(6) 根据脆性岩体的断裂破坏机制, 建立了脆性裂隙岩体的起裂准则和初裂强度计算公式, 并推导出了成组有序分布的平面裂隙岩体和三维币状裂隙岩体的脆性断裂破坏强度计算公式。(7) 将上述损伤断裂本构模型和岩锚支护、加固作用模型编制成三维非线性有限元计算程序, 应用于三峡船闸高边坡开挖卸荷稳定分析, 获得了较为满意的计算结果, 验证了模型的有效性和正确性。     

节理岩体断裂损伤模型在三峡坝基岩体力学参数模拟和预测中的应用

基于节理岩体的断裂损伤模型，建立基于等效柔度张量及特定破坏准则等效体力学参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用于三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中，通过与节理刚度模型、包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中。通过与节理刚度模型，包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测中较为适用，为三峡工程的坝基岩体稳定分析提供了参考。     

节理岩体损伤断裂时效机理及其工程应用

节理岩体作为岩体力学的研究热点，受到国内外许多学者的高度重视，人们在节理岩体的本构关系、破坏机理、强度理论等方面做了大量工作，但由于岩体中节理、裂隙分布的随机性及其力学特性的复杂性，一般很难正确评价含有节理、裂隙演化、扩展及贯通过程的岩体的强度特性。论文通过模型试验、理论分析和数值计算方法系统地研究了断续节理岩体的蠕变损伤断裂机理，主要研究成果如下：（1）通过相似材料模型试验的方法研究了含雁行裂纹脆性材料在单轴和双轴压缩条件下的扩展和断裂机制。从实验结果看，顺向排列雁行裂纹具有张拉型、剪切型和拉剪复合型三种贯通机制。然后从宏观概化的等价力学模型的角度，研究了断续节理面和岩桥的共同作用原理，建立起岩桥在不同贯通模式下，其起裂、扩展和贯通的强度计算方法。（2）通过Schwarz交替解法给出任意两裂纹间相互作用影响因子的计算方法，在此基础上，建立了分支裂纹的扩展模型和分支裂纹长度的计算方法。（3）在考虑裂纹蠕变相互作用的基础上，提出了节理、裂隙在压剪应力场中蠕变断裂和分支裂纹生长的等效模型。（4）综合应用断裂力学、损伤力学、非局部场及流变学理论，从损伤引起裂纹扩展和裂纹扩展又进一步引起损伤演化和累积的角度，建立了岩体非弹性变     

考虑断裂韧度劣化的非贯通节理岩体损伤模型研究

岩石断裂韧度参数对节理尖端裂纹的起裂扩展及止裂都至关重要。文中综合考虑节理岩体宏细观损伤，构建节理岩体损伤模型，从理论上分析断裂韧度与抗拉强度之间的相互影响，得到断裂韧度细观演化方程，对节理岩体损伤模型进行修正。通过岩体相似材料模型试验，得到模型计算结果与试验结果吻合较好，证明了模型的合理性。     

一种计算多组节理系统损伤张量的方法

本文介绍了一种具有多组节理系统的岩体的损伤张量的计算方法。根据能量原理,推导出了一个求解等效总体损伤张量的公式,适用于多个损伤张量求和。分析节理岩体强度的试验证实了计算结果。     

加锚节理岩体的损伤增韧止裂模型研究

本文针对加锚节理岩体特点，采用等效抹平的处理方法，从损伤加筋体的自一致理论出发，推求加锚节理岩体的等效柔度张量和损伤张量，并运用脆性类材料的损伤增韧止裂理论，依据加锚节理裂纹的断裂扩展过程建立损伤演化方程，给出了此类加锚岩体的本构关系。     

Damage mechanics and its application for the design of an underground theater

This paper presents a damage mechanics method for the evaluation of the elastic damage of jointed rock mass and its application in predicting damage distribution in the jointed rock mass in the excavation for an underground structure in the framework of continuum damage mechanics. The damage variable is a second-order damage tensor which is assumed to describe the damage effect of jointed rock mass. The elasticity tensor defined in the model is verified by employing laboratory cement mortar specimens with various cases of joint distribution. The same specimen is analyzed using the developed damage mechanics method as well as the normal FE method, which employs joint elements to simulate jointed cracks. In order to apply the developed damage elasticity theory to three-dimensional damage analysis in underground structure excavation, a three-dimensional grouted rockbolt element is introduced, which considers the resistance of the grout to the relative shear displacement between the bolt and the rock mass around it in the axial direction. Plastic behaviors of the steel bar and the grout of the grouted bolt are considered in the model by using various constitutive laws. Finally, an engineering example for damage analysis is presented, namely an underground theater assumed to be excavated in a geological environment of jointed rock.     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。     

Responses of jointed rock masses subjected to impact loading

Impact-induced damage to jointed rock masses has important consequences in various mining and civil engineering applications. This paper reports a numerical investigation to address the responses of jointed rock masses subjected to impact loading. It also focuses on the static and dynamic properties of an intact rock derived from a series of laboratory tests on meta-sandstone samples from a quarry in Nova Scotia, Canada. A distinct element code (PFC2D) was used to generate a bonded particle model (BPM) to simulate both the static and dynamic properties of the intact rock. The calibrated BPM was then used to construct large-scale jointed rock mass samples by incorporating discrete joint networks of multiple joint intensities into the intact rock matrix represented by the BPM. Finally, the impact-induced damage inflicted by a rigid projectile particle on the jointed rock mass samples was determined through the use of the numerical model. The simulation results show that joints play an important role in the impact-induced rock mass damage where higher joint intensity results in more damage to the rock mass. This is mainly attributed to variations of stress wave propagation in jointed rock masses as compared to intact rock devoid of joints.     

节理岩体强度参数损伤张量模型多维估算

Hoek-Brown强度准则因可较好实现对节理岩体稳定性分析及参数估算,正逐渐被广泛应用于岩体工程评价中。在对其进行力学参数估算时,采用一维损伤因子D将岩体视为各向同性损伤材料进行分析,而实际上,节理岩体损伤呈现为多维度特征,对其整体损伤效应予以准确把握有赖于建立多维度损伤表示方法。本文基于Hoek-Brown强度准则实现对岩体强度参数估算,充分考虑损伤效应的多维度特征,建立损伤张量表示模型,并结合节理裂隙空间分布参数,实现对损伤张量因子确定化表示;基于节理岩体损伤张量表示结果,结合某露天铜矿边坡节理岩体统计窗测试结果,实现了对强度参数系统估算。损伤张量模型具有表示节理岩体空间损伤特征,可较好用于对节理岩体强度参数的多维度估算。