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。     

岩石类脆性材料损伤断裂研究综述

将损伤引入岩石力学领域已经有 2 0多年 ,近年来在国内外都有许多相关的研究 ,本文对此做了简要综述 ,重点介绍了宏观连续介质力学研究中出现的几种具有代表性的描述材料损伤的损伤变量定义和损伤模型 ,并作了必要的评述。综述了材料损伤在宏观和细观尺度上的研究 ,以及宏、细观研究相结合的方法。即损伤、断裂相联合构成的现代破坏力学的概念。认为宏、细观研究结合是研究岩石类材料破坏的前景广阔的发展方向     

岩石单轴压缩应力–应变特征的率相关性及能量机制试验研究

 岩石渐进性破坏过程分为5个阶段：裂纹闭合阶段、弹性阶段、裂纹起裂和稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后段。利用变频动态加载岩石力学试验系统,研究不同应变率加载条件下岩石破坏过程中的特征应力,即起裂应力、扩容应力以及峰值强度,结果显示,特征应力随应变率的变化情况基本满足以下规律：应变率 ＜5×10－4 s－1时,随着应变率的变化,特征应力基本不随应变率的增减发生变化,其率敏感性不明显; ＞5×10－4  s－1时,特征应力随着应变率的增长而增长,表现出较强的率敏感性。而3个量纲一的参数,即起裂应力和扩容应力与峰值强度的比值以及起裂应力与扩容应力的百分比分别为50%～60%,70%～80%和80%～90%,与应变率无明显相关性。基于能量守恒法则,对岩石破坏过程中的能量特征及能量机制进行分析,结果表明：岩石单位体积吸收的总应变能和弹性应变能均随应变率的增长而增长,损伤应变能则随着应变率的增长先增大后减小。吸收的总应变能和弹性应变能随应变率的变化规律与应力随应变率的变化规律一致,即 ＜5×10－4 s－1时,吸收应变能和弹性应变储能率敏感性不随应变率的变化发生变化,无明显率敏感性; ＞5×10－4 s－1时,吸收的应变能和弹性应变能则随应变率的增加而增加,具有较强的敏感性。应变率一定的情况下,岩石所吸收的应变能主要以弹性应变能的形式储存,损伤应变能基本保持不变,临近峰值点时岩石中损伤应变能才有所增加;一旦过了峰值点,岩石中储存的弹性能快速释放,体现在应变–应变能曲线上则为弹性应变能曲线的迅速下降和损伤应变能曲线的迅速上升。       

岩石类脆性材料冲击性能研究

基于剪切波跟踪技术（SWT）,对岩盐、水泥砂浆石复合材料进行压剪联合冲击试验,通过冲击剪切性能来揭示脆性材料的损伤状态。在冲击损伤阶段,脆性材料的冲击压缩性能规律不明显,但剪切方面表现出随损伤程度加深,剪切波波速和剪切强度明显降低的规律。比较有法向应力和无法向应力作用时的剪切强度,当无法向应力作用时,材料损伤后剪切强度随损伤程度的加深逐步降为0,而有法向应力作用时,剪切强度有随损伤程度的加深逐步降低的趋势,但存在一定的波动。这表明,采用剪切波,尤其是卸载剪切波来探测岩石内部动态损伤非常有效。     

岩石等脆性材料动力强度依赖应变率的物理机制

脆性材料，如岩石，其动力强度随应变率的变化特性以往大多局限于实验研究。而理论研究，特别是从低应变率区到高应变率区的系统的物理机制研究很少，基于现有的研究资料，对不同应变率区的材料强度的应变率依赖性机理及其转换进行了探讨。分析表明，在小应变率的范围内，材料强度-应变率依赖性受热活化机制控制，随着应变率进一步增加，材料的宏观粘性阻尼机制（声子阻尼）出现，并逐渐占据主导地位，材料的惯性影响逐渐明显，在变应高率区时，材料惯性的影响非常大，这时不同尺寸的缺陷的增长将同时启动，在材料没有缺陷的地方热活化机制引起原子键的断裂，这样可以把材料强度-应变率依赖性看作是热活化机制与宏观粘性机制并行存在。相互竞争的结果，这两种机制在不同的应变率区占据主导地位，基于上述结论，给出了联合的热活化与粘性机制相互竞争的材料强度-应变率依赖模型，并对该模型的有效性对照资料进行了实验，结果表明，与实验符合得很好。     

岩石类脆性材料冲击性能研究

 基于剪切波跟踪技术(SWT)，对岩盐、水泥砂浆石复合材料进行压剪联合冲击试验，通过冲击剪切性能来揭示脆性材料的损伤状态。 在冲击损伤阶段，脆性材料的冲击压缩性能规律不明显，但剪切方面表现出随损伤程度加深，剪切波波速和剪切强度明显降低的规律。比较有法向应力和无法向应力作用时的剪切强度，当无法向应力作用时，材料损伤后剪切强度随损伤程度的加深逐步降为0，而有法向应力作用时，剪切强度有随损伤程度的加深逐步降低的趋势，但存在一定的波动。这表明，采用剪切波，尤其是卸载剪切波来探测岩石内部动态损伤非常有效。     

不同材料组合及配比下类岩石试件单轴压缩损伤破坏过程分析

井下大尺寸真实岩芯难以获取且数量有限,通常采用类比法在室内制作类岩石材料试件模拟实际煤岩,以此开展水压致裂试验。为精确研究类岩石材料试件的力学特性,以水泥、石英砂、石膏和煤粉为原材料浇筑不同组合及配比的类岩石材料试件,通过单轴压缩试验,探究水膏比、砂胶比以及煤粉对试件力学特性及破坏形态的影响。结果表明：水泥–石英砂–石膏试件的抗压强度随水膏比的增加而增大,随砂胶比的增加而减小;砂胶比对试件抗压强度的影响更为显著,砂胶比与水膏比分别为0.33,0.75,1和0.5,1,2时,试件抗压强度由23.19 MPa降至19.14MPa;同种类岩石材料试件随水膏比增加峰值破坏时间提前,试件内部损伤程度加剧,水膏比由0.5增大至2,声发射累计振铃计数增大约5.1倍,宏观上表现为裂缝增多;相对石英砂、石膏而言,煤粉会加剧试件裂隙发育程度进而弱化其力学性质,保证配比不变,用煤粉分别代替水泥–石英砂–石膏试件中的石英砂、石膏,试件在峰值破坏时的最大声发射振铃计数分别为替换前的1.5和2倍,表面由较规整的裂缝变为更加发育贯通的裂缝;试件破坏后裂缝在其表面两侧呈反拱形分布,为X状共轭斜面剪切破坏,最大主应变较...     

关于“岩石塑性应变梯度与Ⅱ类岩石变形行为研究”的讨论

岩石的Ⅱ类变形行为有悖于常识 ,一直是岩石力学界长期争论的一个问题。为了论证岩石非均匀塑性变形及非局部作用的应变梯度理论与岩石Ⅱ类变形的关系 ,文 [1 ]作了一定的理论研究工作 ,并得到了Ⅱ类岩石变形行为存在的前提条件 :只要岩石试件的长度Ｌ ,弹性模量Ｅ ,峰值后降模量λ及岩石内部尺度ｌ满足1 - 2π Ｅ/λ+ 1 ｌ/Ｌ>0 ( 1 )就会出现Ⅱ类变形行为。对于文 [1 ]中变形局部化区域的假定形式 (图 2 (ａ) )及基于塑性理论研究岩石应力跌落及应变软化阶段的非线性变形存在不同看法。 1　单轴作用下岩石的变形机理和破坏形式单轴应力作用下 ,岩石的破坏形态如图 1所示[3 ] 。压     

饱和岩石的应变率效应和各向异性的机理探讨

在MTS上对南京砂岩和大理大理岩进行了应变率为l0^-5～l0^-2/s的单轴压缩试验，试验结果得出砂岩、大理岩具有各向异性，相对来说大理岩的各向异性要弱一些。同时，大理岩和砂岩随应变率的增加强度增大，具有明显的应变率效应．对饱和岩石的应变率效应和各向异性作了分析得出饱和液体起到了促进各向异性和应变率效应的作用。     

动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析

阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。分析认为，岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关，而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的，且反映静水胜力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响，并以机械模型为基础，求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。同时，根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型，建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型，进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。最后，采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服摔制材料试验机卜进行了红砂岩中心变率下的动静组合加载破坏试验，对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。结果表明，理论模型与试验结果有较好的一致性。     

脆性硬岩CWFS强度准则模型等效塑性参数优化研究

 为探究适应脆性硬岩加载破坏的强度准则,以杏山铁矿混合花岗岩为对象,根据室内试验获得岩石物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴(?3 = 40 MPa)刚性加载试验进行模拟。通过岩石全应力–应变试验与模拟曲线、AE声发射与裂纹监测成果等综合比较研究,获得荷载作用下混合花岗岩细观力学特性及微宏观破裂演化规律。在此基础上,结合岩石单轴刚性加载试验曲线,裂纹数、摩擦力能量与轴向应变关系曲线,以及FLAC模拟,对脆性硬岩黏聚力弱化–摩擦力强化(CWFS)强度准则模型参数进行优化研究与验证。获得杏山铁矿混合花岗岩CWFS强度准则模型参数：初始黏聚力为23 MPa,残余黏聚力为4.3 MPa,初始摩擦角为0°,残余摩擦角为46.3°,临界塑性应变 , 分别为0.001 5,0.003 7。该研究成果对杏山铁矿露天转地下开采围岩体破坏机制和力学本构关系研究和工程稳定性分析等具有重要的意义。     

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上，利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起，利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明，基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理；纯Ⅱ型裂纹的断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系（纯Ⅱ型裂纹的起裂角是某个定值时），而与其他岩石力学参数没有关系。     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

 针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

基于SMP准则的破裂岩统计损伤软化模型及其应用研究

岩石材料是一种非均质材料,而破裂岩是指岩体内部含有大量的裂隙、空洞、界面等缺陷,在荷载作用下其微元体破坏更具有随机性。在损伤理论的基础上,从微元体的强度随机分布的角度出发,在微元体强度度量方法上考虑损伤阈值的影响,假设破裂岩的微元体强度服从Weibull分布,结合考虑中主应力的SMP准则,建立破裂岩统计损伤软化本构模型,运用多种计算方法对模型参数m和F0进行确定。通过对小官庄铁矿2种破裂岩闪长玢岩以及矽卡岩的验证表明：在不同围压下,全应力-应变试验曲线与预测曲线吻合良好,能够反映损伤阈值的影响,且在较低围压下更为理想。同时,此模型能够反映随着围压的增加岩石的峰值强度增加而延性增大的性质,进一步验证模型的适用性及较强的应用价值。     

岩石破坏演化细观非均质物理元胞自动机模拟研究

在传统元胞自动机基本理论的基础上,根据岩石结构细观非均质的特性和前人研究的基础,引进双参数Weibull分布,建立了一个改进的细观非均质物理元胞自动机模型,并利用该模型对不同均质度岩石材料的破坏演化进行动态模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

基于统计损伤理论的莫尔-库仑岩石强度判据修正方法之研究

首先，引进基于莫尔-库仑岩石强度判据的岩石微元强度表示方法，从岩石微元强度服从Weibull随机分布的角度出发，基于岩石三轴应力-应变试验曲线建立了特定围压下反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型；然后，通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与围压的关系对模型参数进行了合理修正，从而建立出更加符合实际的岩石三维损伤软化统计本构模型；最后，存此基础上，根据岩石屈服或破坏的概念，重点探讨了利用多元函数求极值的方法建立岩石强度判据的途径，从而对莫尔-库仑岩石强度判据进行了合理修正，修正后的莫尔-库仑岩石强度判据与实测结果及莫尔-库仑岩石强度判据比较表明，其具有明显的优越性。     

基于莫尔–库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究

 岩石类材料的应力–应变曲线关系分为峰值前区和峰值后区2个部分。在岩石应力–应变曲线峰前部分,一般将岩石视为弹性体,在此阶段采用线弹性本构关系;而在峰后部分,由于不能确定岩石的破坏形态和应力的跌落方式,其力学行为难以用经典理论来描述,因此确定岩石峰后模量的变化是研究岩石峰后力学行为的关键。基于莫尔–库仑强度准则,以内摩擦角?作为中间变量,通过理论推导,将峰后弹性模量 表征为应变 的函数,建立峰后岩体力学非线性应力–应变关系。通过数值算例得到大理岩在不同围压下的全应力–应变曲线,其数值计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的非线性本构模型是正确合理的,同时也表明该模型可以较好的描述不同围压下大理岩的峰后力学行为。     

脆性岩石广义多轴应变能强度准则及试验验证

通过分析脆性岩石多轴试验中的强度和破坏规律,在已有研究成果基础上,将其强度和破坏控制类型主要归结为3种:类型1,低静水压力时裂缝张开扩展,主要表现为张性微裂缝控制型脆性破坏;类型2,静水压力很高时,裂缝闭合,主要表现为摩擦滑移控制型延性破坏;类型3,处于两者之间时,微裂缝一部分张开,一部分闭合,主要表现为两者复合控制型脆延破坏.在分析脆性岩石强度的静水压力、中间主应力、最小主应力以及应力Lode角等4种效应的基础上,提出子午面上与Mohr-Coulomb准则包络线自然衔接的广义双曲线型破坏函数及八面体偏平面上光滑角隅型破坏函数,从而建立非线性广义多轴应变能强度准则.该准则包含单轴抗压和抗拉强度,在静水压力较低时,实质上它是Griffith-Murrell准则在多轴应力状态下的一种扩展形式,反映脆性岩石破坏类型1;在很高静水压力下该准则可转化为广义Mises准则,反映脆性岩石破坏类型2;而当静水压力较高时,该准则处于上述两种准则的过渡阶段,反映脆性岩石破坏类型3.最后,通过对不同种类岩石多轴试验结果的验证分析,表明该准则能够较为合理地描述上述4种效应,而且能够反映非线性强度特征和拉压强度的显著区别,可广泛地适用于各种脆性岩石.