滑移型裂纹模型在研究岩石动态单轴抗压强度中的应用

 基于滑移型裂纹模型, 研究了花岗岩在应变速率为10 - 4～100 s - 1的单轴抗压强度与应变速率的关系。结果表明, 花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加, 模型结果与实验结果吻合较好。在动荷载作用下, 裂纹的扩展速率和岩石断裂韧度的率相关特性, 导致岩石的动态抗压强度随应变速率的增加而增加。     

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。     

大岗山花岗岩动态力学特性的试验研究

以大岗山花岗岩为例,分别进行静力三轴和动力三轴试验,分析花岗岩的抗压强度、弹性模量、泊松比以及相应的极限应变等重要参数与应变速率的关系。试验结果表明:不同围压下,随应变速率的增加,花岗岩的侧向破坏应变随应变速率的增加几乎保持不变,并且绝大部分统计结果值在0.002～0.004范围内;轴向破坏应变的增加幅度不明显;抗压强度增加,试验现象明显;弹性模量的提高幅度随围压的增加有减小的趋势;不同围压下花岗岩的泊松比与应变速率没有明确的关系。基于大岗山花岗岩静力三轴测试全过程应力–应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同围压下均以侧向损伤为主,通过回归拟合分析,建立大岗山花岗岩静力三轴压缩条件下的损伤演化方程。进一步根据损伤理论建立岩石动力损伤与静力损伤之间的关系,考虑动态强度与初始弹性模量的率相关性建立经验型的岩石动力损伤本构模型,可以作为研究地震荷载作用下岩体结构中应力波传播和衰减规律的基础。     

花岗岩在单轴冲击压缩荷载下的动态断裂分析

利用脉冲整形器改进后的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对新加坡Bukit Timah地区的花岗岩圆柱形试样进行了高应变率下的单轴压缩实验。实验结果发现:随着应变率的增加,不仅花岗岩材料的抗压强度增大,而且以轴向拉伸劈裂为主要破坏形式的破碎程度也有所提高,表现为碎块的尺寸减小和数量增加。针对上述花岗岩的动态特性,采用多裂纹相互作用的动态滑移型裂纹模型定量的分析了不同应变率下,材料的微裂纹的初始长度、角度、初始裂纹间距以及裂纹面的摩擦系数等微裂纹特征对材料动态强度及破碎的影响,将岩石类材料的宏观动力学特性与其细观微结构联系起来,合理地解释了花岗岩的动态强度及破碎程度的应变率相关性。     

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。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩变形和强度特性的试验研究

通过在MTS815.03岩石力学伺服试验机上对断续预制裂纹粗晶大理岩进行常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩的变形和强度特性。结果表明,随着围压的增加,完整岩样和断续预制裂纹岩样峰后表现从应变软化逐渐转化为理想塑性的变形特性;岩石峰值环向应变对围压的敏感程度高于峰值轴向应变;强度与围压之间的关系可采用Coulomb准则来表征,且残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。粗晶大理岩晶粒尺度较大,完整岩样的杨氏模量随围压而增大,峰值应变与围压之间成正线性关系;而断续预制裂纹岩样的杨氏模量以及峰值应变和围压之间的关系较为复杂,且随裂纹倾角而变化。单轴压缩时,断续预制裂纹岩样峰值强度与裂纹倾角密切相关,其最大轴向承载能力取决于两条预制裂纹内部顶端的扩展模式以及晶粒间的摩擦滑移;较低围压(σ3≤10MPa)时,与完整岩样的峰值强度相比,断续预制裂纹岩样的峰值强度明显偏低,但残余强度相差不大;而较高围压(σ3>10MPa)时,岩样进入塑性流动阶段后,完整岩样和预制裂纹岩样的三轴强度(峰值强度和残余强度)相差很小,粗晶大理岩样的轴向承载极限与预制裂纹分布关系不大,晶粒间的摩擦承载决定粗晶大理岩的强度特性。     

强冲击荷载下岩石材料断裂及破碎机制研究

脆性材料如岩石、混凝土和陶瓷等在冲击荷载作用下的动态力学特征及破碎机制研究涉及力学,物理学,航空航天,能源开采和防护工程等多个领域。具体问题如同震作用中的断层泥形成及非对称粉碎化,行星撞击产生的陨石坑,飞行器对空间站的超高速撞击与防护,采矿过程中的矿石破碎尺寸控制,工程爆破过程中的破岩效率提高和灾害防治,炮弹壳体的破碎以及超高速弹穿甲等。岩石材料的静态,动态及动静组合下的力学响应研究已经取得了丰硕成果,相比之下,岩石材料在冲击荷载下的细观断裂机制和破碎特征方面研究还颇为不足。脆性材料在宽应变率尺度上是否存在统一的归一化强度形式?材料的动态力学特性与过渡性破碎现象的内在联系是什么?如何理解缺陷材料在冲击过程中的裂纹成核、发展及交汇对破碎成形的影响?这些问题已经严重地阻碍了我们对脆性材料在极限荷载作用下的认识。针对上述问题,在国家自然科学基金重点项目和国家建设高水平大学公派研究生项目的资助下,(1)研究材料在冲击荷载作用下的力学特征;(2)了解脆性材料的冲击破碎机制两个方面工作为基础,采用室内试验,理论模型和数值模拟开展了强冲击荷载下岩石材料的强度,断裂和破碎特性方面的研究。在力学试验方面,采用霍普金森压杆装置研究了花岗岩石在冲击劈裂下的试验条件和力学特征,提出了动抗拉强度因子在高应变率范围存在Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ个区域,结合高速摄像系统和DIC方法验证了圆盘中心起裂条件;解释了由边界失效引起的Ⅲ区强度异常的原因。通过数字图像处理技术获得连续尺寸范围内的碎块尺寸;对比了传统电测应变法和DIC法测量精度的差异,研究了冲击劈裂试验中的残余动能和能量分布,提出了劈裂→劈裂+压裂→非对称压裂→边界失效冲击破碎演变形式。同时,得到了花岗岩在冲击压缩中存在的Ⅰ,Ⅱ类破坏模式,从断裂强度与应变率、残余应变与断裂应变、耗散能量与应变率的关系讨论了临界应变率的确定方法。结合自主开发的数字图像碎片分析系统研究了不同应变率下的碎片分布和特征尺寸,基于有限长三维柱状模型建立了多重破碎能量模型,成功解释了高应变率下材料灾难性破碎的成因。进一步地采用三轴霍普金森压杆装置研究了不同围压条件下岩石的强度特征和破坏准则。发现当围压一定时,材料的破坏强度随应变率增加逐渐增加,对于不同围压条件,应变率效应基本一致。强度随应变率的变化关系可以近似为线性,归一化强度因子随应变率呈线性增加,同时也随围压增加而增加。在相同应变率范围内的强度随围压的变化关系可以用Hoek-Brown准则解释。结合CT和SEM扫描技术研究了围压状态下岩石的细观破坏现象及三维损伤特征,重构结果显示低围压下的试样破坏主要以平行于最大主应力方向的拉伸裂纹扩展为主,而围压的提高一定程度上增加了剪切滑移的可能性,同时伴随大范围的晶体破碎。在理论模型方面,通过建立压应力状态下岩石动断裂滑移模型研究了脆性材料由于微裂纹扩展引起的非线性应变细观机制及对宏观本构关系的影响;通过提出过渡性压剪裂纹模型修正了传统模型在近端场的误差,结合Freund逼近解提出了统一的幂数型裂纹动态扩展准则,基于Catigiano能量平衡原理推导了矩阵形式的非线性应变计算公式。分析了微裂纹在压剪过程中的闭合、线性滑移、自相似扩展以及翼裂纹弯折等阶段的力学机制和影响因素。进一步拓展至考虑裂纹相互作用的裂隙岩体模型,讨论了归一化无量纲应变率模型和特征参量的物理意义。在数值模拟方面,考虑到试验技术和理论分析对研究多尺度非均质岩石冲击损伤行为问题的不足,提出基于岩石真实细观结构建模的多尺度离散元方法,通过建立不同断裂模型考虑了晶体边界的弱化作用,同时借助FPZ模型描述了晶体内部的穿晶破坏形式。考虑晶体破坏特征的GBM更能真实反应岩石的微观力学特征,在应力应变行为和微破裂方面很好地模拟了花岗岩试验结果。创新性地结合纳米压痕技术获得不同矿物成分的细观力学参数,提出了推荐性离散元标定方法,简化了GBM的标定程序,很大程度上提高了GBM的适用范围。最后将其应用于研究岩石率效应机制、动态破碎及多尺度损伤研究。发现岩石裂纹起裂和损伤应力阈值在裂纹体应变变化和声发射破裂等行为上表现出相似性。动载荷作用下的损伤演化与静载荷作用下的损伤演化有明显的不同。在动载荷作用下,Weibull分布表现出较宽的形状尺寸和较大的平均尺度。微裂纹从晶间断裂向穿晶断裂的转变导致了不同的宏观破坏特征。单个断裂或轻微碎裂的试样是由断裂面与以晶间断裂为主的分支裂纹共同形成。相反,粉碎状破裂的岩石是穿晶裂纹聚集在裂缝表面周围的结果,进而形成大范围剪切带。细观尺度上的沿晶破裂向穿晶破裂转换被认为是应变率效应机制和冲击粉碎化破碎的根本原因。     

轴向拉伸情况下岩石的动态力学特性试验研究

通过在自行研制的加载系统上对花岗岩在应变速率10-5s-1～10-1s-1范围内进行了动态直接单轴拉伸试验,并辅以巴西劈裂实验,系统、全面地研究了花岗岩在不同应变速率影响下的强度及变形特性。结果表明:岩石的抗拉强度随着应变速率的增加而增加;岩石的弹性模量也随着应变速率的增加而增加,但增加幅度小于抗拉强度的增加幅度;另外岩石的临界拉伸应变与应变速率也呈正相关性,但岩石的泊松比与应变速率的率相关性不是特别明显,表现得较为离散。并根据已有研究成果初步讨论了岩石在轴向拉伸情况的动态力学特性机理。     

中高应变率下花岗岩动力特性三轴试验研究

利用改进的霍普金森压杆对不同围压、不同应变率下的岩样进行了试验研究,分析了其在中高应变率下的冲击响应特征与破坏模式。基于试验结果发现在围压一定情况下,岩石的动态抗压强度和峰值应变随应变率的增大而增大,其中抗压强度随应变率呈对数增长;弹性模量对围压和应变率不敏感,且应变率越大岩石破碎现象越严重。其次,在应变率相近情况下,花岗岩的动态抗压强度随围压呈增大趋势,其破坏模式由低围压下的轴向劈裂转向高围压下的压剪破坏;高围压下花岗岩应力–应变曲线出现屈服平台,具有明显的脆—延性转化特征。最后,检验了莫尔–库仑准则和霍克–布朗准则的适用性,指出此花岗岩更符合莫尔–库仑准则,其动态强度增大主要由黏聚力的应变率效应引起。