加载速度对岩样全部变形特征的影响

利用编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数,采用FLAC模拟了加载速度对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰前及峰后,本构模型分别取为线弹性及莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。加载速度较低及适中时,岩样发生单剪切破坏,剪切带倾角及宽度不受加载速度影响,应力-轴向应变曲线及应力与侧向应变曲线软化段的斜率不依赖于加载速度;高加载速度使岩样发生X型剪切破坏,两种曲线软化段较平缓;在相同的轴向应变时,高加载速度使剪切带长度降低。随着加载速度的增加,岩样失稳破坏的前兆越来越明显,当加载速度较高时,前兆反而不明显,这是由于应力存在较大的波动,导致不正确地估计了应力峰值所对应的轴向应变。在应变软化阶段,高加载速度使侧向应变与轴向应变曲线、泊松比与轴向应变曲线及体积应变与轴向应变曲线变平缓,也使体积应变与轴向应变曲线的峰值及对应的轴向应变增加。     

基于数字图像测量系统的饱和细砂渐进破坏特性研究

基于亚像素角点检测的数字图像测量系统能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的局部应变及应变场。分析了试样不同位置的局部径向应变在剪切过程中的变化,获得了以不同初始成样含水率制备的松砂和密砂试样在不同特征时刻的应力与应变的特征值。通过轴向应变场的变化分析了从应变局部化出现到剪切带发育、形成的这一完整的渐进破坏过程,总结了剪切带形成时的局部最大轴向应变特征值,并定性地分析了剪切带内、外土体在渐进破坏过程中不同的轴向应变增长率。试验结果表明：在应变场中试样应变局部化明显,并可以依此确定应变局部化的出现、剪切带的形成;对于密砂及初始含水率为0%制备的松砂试样,应力在应变局部化出现之初即达到峰值,剪切带形成时应力已经开始下降,进入应变软化阶段;以初始含水率为6%和12%制备的松砂试样在达到应力峰值时剪切带已经形成;剪切带内土体的局部轴向应变增长幅度比剪切带外的土体大得多。试样整体轴向应变的增大主要是由剪切带内土体剪切破坏产生的较大轴向应变所致。     

单轴压缩黏性土剪切带相互作用及损伤试验研究

剪切带损伤研究对于理解材料破坏机制和建立剪切带本构模型具有重要意义。为了研究单轴压缩黏性土样的剪切带损伤演化规律,根据纵向应变较高时清晰剪切带位置布置切向测线,对数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得光滑性较好的各种应变场。将土样整体的损伤变量-纵向应变曲线与各条剪切带的损伤演化曲线进行了对比。研究发现：（1）总体上,土样整体的损伤变量演化曲线呈线性,而各条剪切带的损伤变量演化曲线均上凹,这表明随着纵向应变的增加,各条剪切带的损伤发展越来越快;（2）各条剪切带的损伤变量演化曲线的轮廓线呈马尾形,这说明随着剪切带的逐渐发育,各条剪切带的相互影响和作用规律变强;（3）对于含水率较低的土样,平行或共线剪切带的损伤变量变化基本同步,特别是在剪切带充分发育之后,但两条剪切带的距离应较小;在一定时期,共轭或交叉剪切带中剪切带的损伤占优,这与剪切带的相互竞争有关,但若两条剪切带达到独立发展的程度,则二者的损伤变量变化可以同步;对于含水率较高的土样,各条平行或共轭剪切带的损伤变量变化基本同步,剪切带的相互作用不明显。     

干燥失水条件下膨胀土的细观裂隙演化特征研究

干燥失水现象是引起膨胀土裂隙萌生和扩展的关键性因素,裂隙的演化过程对土体结构完整性和地基的长期稳定与安全具有重要影响。为了研究膨胀土干缩裂隙的演化特点,对原状土试样开展显微CT扫描试验,结合图像分析技术获取了土体细观裂隙的二维/三维图像与特征参数,从定性和定量角度分析了干缩裂隙的演化规律。结果表明：三维重构后的数字模型还原了膨胀土在干燥过程中的体积收缩特征,与试样实测的体积有较好的一致性;从显微CT图像中可以提取细观裂隙的量化指标,如裂隙率、裂隙数量、裂隙体积与裂隙结构特征参数等;随着含水率从24.0%下降至12.0%,膨胀土的裂隙率、裂隙体积呈增大趋势,裂隙数量呈减小趋势;根据裂隙的体积和几何形态特征将其分为连通裂隙和独立裂隙,干燥过程中连通裂隙的体积占比显著提高,独立裂隙数量不断减少;球棒模型有效地模拟了膨胀土裂隙的几何形态特征,在干燥失水过程中等效孔隙半径、喉道半径、喉道长度与孔喉配位数均有增大趋势,裂隙连通性显著增强;SEM图像表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联。     

基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型

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,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,从而建立了基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的损伤本构模型。用宏细观损伤耦合的本构模型来描述非贯通裂隙岩体在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为,与非贯通裂隙岩体实际受荷情况符合较好。研究结果表明：（1）完整岩样和裂隙岩样的应力-应变行为在峰值强度之前差异较大,峰值强度以后差异逐渐减小,最后趋于一致,二者具有相近的残余强度;（2）裂隙岩体强度随裂隙贯通率的增加而增大,随裂隙倾角的变化具有明显的各向异性,同时还与裂隙面的内摩擦角有关;（3）裂隙倾角为90°时,裂隙岩样的峰值强度最高;张开型裂隙岩样的裂隙倾角为45°时,峰值强度最低;（4）非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,其力学性能由受荷细观损伤与裂隙宏观损伤及其耦合效应所决定,基于宏细观损伤耦合的复合损伤变量可以较好地反映非贯通裂隙岩样的力学特性。     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

增湿-减湿作用下黄土裂隙演化规律研究

黄土内部存在各种裂隙,增湿-减湿作用导致原状黄土内部裂隙不断发展演化,因此研究在增湿-减湿作用下黄土裂隙发育演化规律具有非常重要的意义。以陕北延安地区某边坡黄土为研究对象,通过CT扫描技术获得了增湿-减湿作用下土样细观结构变化图,得到了土样CT数ME及SD值随土样增湿-减湿作用的变化曲线。研究结果表明:随着土体湿度的增加,土体内部损伤速率缓慢增加,当含水率超过土样塑限后,土体内部损伤速率加快,含水率超过一定值时,速度又减缓,CT数的均值和方差随含水率变化皆呈反“S”曲线;随着干湿循环次数的增加,土样微裂纹逐渐发育,表现为伸长变宽,呈不规则的分叉、甚至贯通;4次干湿循环后,土样裂隙裂缝基本成了网状,土样较破碎,此时CT数的均值和方差变化不大;干湿循环幅度越大,土样内部损伤程度也越大,土样内部节理裂隙发展也就越快。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。     

含折线型裂隙砂岩试件翼型裂纹起裂与扩展机制研究

岩体内部赋存的裂隙很多表现为折线型,为探究这类岩体的断裂机制,制备含折线型裂隙砂岩试件并对其进行单轴压缩试验。采用数字图像相关(DIC)方法计算加载过程中的变形场演化,根据新生裂纹两侧的位移差异识别裂纹类型;运用扩展有限元法(XFEM)模拟断裂过程,根据应力分布特征解释翼型裂纹起裂与扩展机制。DIC计算结果表明,新生裂纹处出现应变局部化带,裂纹两侧发生相对分离;含直线型和折线型裂隙砂岩试件的翼型裂纹分别萌生于预制裂隙端部以及折角处,这是因为裂隙几何形态会改变拉应力集中位置;含折线型裂隙砂岩试件的起裂应力小于含直线型裂隙砂岩试件,这是因为相同加载条件下前者的最大拉应力值更大;这2类试件的裂纹扩展均是由于裂纹尖端集中的拉应力引起的,裂纹依然呈张开状态;裂隙几何形态未改变试件的最终破坏模式,均表现为对角剪切破坏。     

一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

裂隙砂岩应变场演化与超声时移衰减特征研究

微裂纹萌生、扩展和聚结模式的识别是研究岩体灾害孕育演化过程的基础。为探究裂隙岩石微裂纹发育过程及机制,采用主动超声测量和数字图像相关（digital image correlation,简称DIC）技术同步监测单轴压缩下预制裂隙砂岩的损伤破裂过程,分析了表面应变场演化及超声衰减特征。结果表明：小倾角预制裂隙尖端的局部拉应力集中利于裂纹更早萌生;随裂隙倾角增加,预制裂隙试样由较为稳定的渐进性破裂转变为突发性破坏,其脆性特征也更明显,表面应变场可实时追踪裂纹的萌生和扩展。P波波速、振幅谱和超声振幅的衰减与微裂纹的发育和宏观裂纹的形成密切相关,可将超声波主频的明显衰减视为宏观裂纹形成的直接证据;不同射线路径P波速度及振幅衰减的差异,是轴向应力和预制裂隙诱导损伤累积各向异性的结果。此外,采用改进谱比法分析了超声衰减的时移特征,发现超声波衰减比P波波速对岩石介质中微裂纹的发育更敏感,进一步对比发现超声振幅、表面应变、P波波速对岩石损伤识别的敏感性依次降低。该研究结果表明,主动超声衰减和DIC表面应变同步监测是识别和量化岩石损伤和裂纹扩展先兆信息的有力工具。     

断裂岩石细观破坏机理及三维接触损伤

以断裂岩体长期稳定性为研究背景,开展岩体断面细观接触演化和长期力学行为的研究,借助CT检测方法,研究断裂岩体双翼表面细观接触状态、接触损伤演化等影响岩体长期力学行为的特征以及断裂岩石蠕变过程中粗糙表面凹凸体磨损及亚表面微裂纹、微孔洞发展等表面接触损伤演化规律。CT图片得出剪切蠕变破碎岩石的多种失稳模式,这几种破坏模式共同存在于岩石断裂面的剪切蠕变过程中,并在断裂面不同位置交替出现。通过三维重构初步了解断裂岩石损伤过程中新生断面的形成过程:断裂面在剪切蠕变过程中微凸体附近易产生损伤形成空洞或初始裂隙,随后大量空洞和裂隙发展形成裂纹网络,裂纹网络贯通形成新断裂面。     

岩石单轴压缩下能量与损伤演化规律研究

能量变化是材料各参数变化的本质特征。通过颗粒流模拟岩石单轴压缩试验,从细观力学角度分析能量转化、裂纹扩展及损伤演化规律。颗粒流利用细观颗粒的运动克服了宏观力学理论不易实现试件多裂纹破坏形态的缺点,以此研究能量变化更加合理。应力-应变各阶段能量与微裂纹及损伤存在着相互对应的发展关系。通过3种工况论证了宏-细观力学参数对应关系,采用最小二乘法拟合得出微裂纹与轴向应变呈幂次函数关系。采用割线模量定义损伤变量,取模量加速下降处（对应裂纹加速扩展）为损伤门槛,对应损伤阈值为0.158。3种工况下微裂纹数量与损伤呈线性发展关系,为损伤演化的深入研究提供参考。     

Q3黄土侧向卸荷时的细观结构演化及强度特性

利用应力控制式CT-三轴仪,在控制吸力的条件下研究了原状Q3黄土的细观结构演化和强度特性。结果表明：侧向卸载时,非饱和Q3黄土的应力-应变关系呈硬化型,可用双曲线描述;利用CT数据与试验中所施加偏应力之间的关系可确定试样的屈服应力,屈服应力随着吸力和固结净围压的增大而增大;侧向卸荷剪切试验结果得到的强度参数低于常规三轴压缩剪切试验的结果;利用定义的非饱和Q3黄土的结构参数,建立了侧向卸载过程的细观结构演化方程。     

颗粒形状对粗粒土剪切变形影响的细观研究

颗粒形状是影响粗粒土密实度、力学与渗流等特性的主要因素之一。为了分析颗粒形状对粗粒土剪切特性的影响,采用离散元法生成4种不同形状的颗粒组,进行粗粒土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究,得出了颗粒形状对剪应力-剪位移、体应变-剪位移的影响,分析了粗粒土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析剪切带厚度、颗粒旋转量值、平均接触数、孔隙率及接触力系等宏细观参量的演化规律,研究颗粒形状在宏细观尺度上对粗粒土的影响。研究表明:异形颗粒间的咬合自锁作用大于纯圆颗粒,试样的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势。试样颗粒在外荷载作用下发生运动,应变主要表现在颗粒运动剧烈、剪胀幅度较大的剪切带内。颗粒形状系数F减小,试样的初始平均接触数增加,内摩擦角φ增大,剪切带内孔隙率增量越大,剪胀幅度越大。剪切过程中强力链聚集于剪切带内并起骨架作用,随着形状系数的减小,力链长度在0～5所占百分比呈增大趋势;剪切带内强力链的数目随着形状系数的减小而增加,峰值含量在30%～35%之间。     

隐晶质玄武岩破裂演化及破坏特征试验研究

隐晶质玄武岩是白鹤滩水电站超大规模地下厂房洞室群中广泛揭露出的主要围岩类别之一,且普遍赋存隐微裂隙,开挖过程中展现出特殊的力学响应特征。综合采用CT扫描、高速摄像、声发射、扫描电镜等手段,分析了隐晶质玄武岩的变形破坏特征、裂纹扩展及声发射演化规律等,并探讨了其细观破坏机制。结果表明:完整试样应力-应变曲线光滑,加载至峰值强度时瞬间爆裂,声发射信号异常集中,碎裂破坏;含隐微裂隙试样应力-应变曲线呈锯齿状,出现多次表面剥落,整个过程声发射信号非常活跃,以劈裂破坏为主;含宏观裂隙试样应力-应变曲线呈双峰或多峰状,峰前原生裂隙局部滑移,第1次峰值时宏观破裂面形成,声发射信号集中于峰值应力跌落瞬间,以剪切破坏为主。隐晶质玄武岩细观破坏机制主要为矿物颗粒沿晶断裂和穿晶断裂。研究成果为准确认识并科学掌握白鹤滩地下厂房洞室群围岩的力学响应及其破裂演化特征奠定了坚实基础,也可为硬脆岩体高应力破坏的认识和灾害控制提供参考和借鉴。     

辽西医巫闾山地区晚侏罗世花岗岩脉中热液锆石的成因与定年

辽西医巫闾山变质核杂岩经历过两阶段演化,晚侏罗世发育了围绕核部医巫闾山岩体周缘展布的长环形韧性剪切带(称为医巫闾山剪切带),早白垩世西侧叠加了北北东走向瓦子峪伸展韧性剪切带.在医巫间山剪切带及其变形下盘中侵入了大量的晚侏罗世花岗岩脉,其所含的锆石包括古老继承锆石、新生岩浆锆石、热液锆石等多种类型.根据锆石阴极发光图像、...     

基于PIV技术的贯通单裂隙岩体压-剪破坏特征试验

基于PIV技术,采用相似材料预制贯通单裂隙岩体试件并开展压-剪试验,探究了裂隙开度对贯通单裂隙试件的强度、变形及破坏过程的影响。结果表明:(1)试件发生初始断裂时不同裂隙开度试验组应力均明显下降,且随着开度的增大裂隙岩体胶结部位塑性变形增强,岩体试件的特征应力值减小;(2)裂隙开度影响到裂隙和胶结部位变形在试件总变形中所占比例,进而影响裂隙试件的轴向峰值应变和横向峰值应变,开度越大裂隙试件的轴向峰值应变与横向峰值应变越小;(3)随着开度增大试件初始断裂部位由中下部向中上部转移,同时试件逐渐由拉伸剪切复合破坏转变为单一的剪切破坏;(4)需达到位移阈值k试件表面才能产生裂隙,而预制裂隙开度增大会降低试件的位移阈值k。其结果为研究深部矿井裂隙沟通造成的突水溃砂机理奠定了一定的基础。     

降雨-蒸发条件下土体开裂临界含水率演变规律研究

为研究降雨-蒸发过程中土体裂隙发展演化规律,依托裂土边坡足尺模型试验,测量土体表层含水率,采用图像矢量化技术提取裂隙率,对土体裂隙域及基质域开裂含水率演变规律进行了研究,基于非饱和土水平应变增量本构模型推导并计算了土体基质域临界开裂基质吸力及含水率。研究结果表明,降雨-蒸发过程中土体开裂具有可重复特征,且裂隙率随降雨-蒸发次数增加总体呈增加趋势;土体裂隙域开裂含水率随降雨-蒸发次数增加而增加,基质域与之相反;基质吸力对裂隙的开裂扩展既可有抑制作用,也可产生促进作用;基于均质各向同性非饱和土应变增量本构模型计算得到的土体基质域开裂含水率范围与实测值较为接近,且该模型能较好地解释裂隙域与土体基质域开裂含水率的变化规律。