峰前围压卸荷条件下岩石的应力–应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同,研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力–应变关系,包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现,岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小,且卸荷破坏时的变形比连续加载时大,其主要原因是卸荷时存在裂纹张开,裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少,岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性,该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力-应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同，研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力-应变关系，包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现，岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小，且卸荷破坏时的变形比连续加载时大，其主要原因是卸荷时存在裂纹张开，裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少，岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性，该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

三轴压缩下岩石类材料的细观损伤–渗流耦合本构模型

 岩石类材料的微缺陷主要有微裂纹和微孔洞,当压力水渗透到微裂纹中时,可在微裂纹上产生附加张开应力。利用叠加原理,对计及微裂纹内水压力的岩石类材料在三轴压缩应力下的响应特性进行分解。考虑无限大体深埋椭圆形裂纹在远场三维压缩应力下的变形、扩展和偏折,得到代表性单元中任意空间取向的单个闭合椭圆形微裂纹及其偏折微裂纹引起的附加柔度张量。假设三轴压缩下,代表性单元渗透特性变化主要取决于偏折微裂纹扩展所引起的法向开度变化,结合达西定律和立方定理,推导出单个偏折微裂纹的附加渗透张量表达式。采用Taylor方法考虑微裂纹系统对代表性单元变形和渗透性影响,利用概率密度函数得到三轴压缩下岩石类材料的三维细观损伤–渗流耦合本构模型。数值计算表明采用本模型的计算结果与试验结果吻合较好。     

岩石在三轴加卸荷过程中的一种本构模型研究

岩石被视为包含有随机分布、无充填的椭球形微裂纹的各向同性体,岩石变形分解为岩石母体的线弹性变形和微裂纹的变形之和。基于压剪裂纹模型,推导了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形,从而建立了一种岩石三轴卸荷的本构模型。一组石膏模型的三轴实验结果显示,实验数据与理论计算结果能基本吻合。     

岩石压剪耦合破坏过程的实时监测研究

将实时激光全息干涉光路布置与岩石力学压剪加载装置组构成光学-力学最优匹配测量系统，通过数据图像采集系统，实时动态捕获了压剪应力作用下花岗岩岩样压剪耦合破坏全过程的实时全息干涉图；根据全息干涉条纹解释原理和图像处理计算，试样表面动态干涉条纹的分布与移动规律高精度直观地揭示了岩石压剪耦合破坏过程中局部变形场分布、微破裂微裂纹的演化路径与速率以及岩石失稳破裂的力学性状。结果表明，该方法能够为岩石损伤与断裂力学问题的研究提供有效的试验技术支持。     

某地区花岗石三轴蠕变试验及其损伤分岔特性研究

 以某地区花岗岩为例，在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行三轴压缩蠕变试验研究，试验结果表明：岩石变形从稳态蠕变进入加速蠕变阶段存在一个应力阈值，当应力低于该阈值时，岩石内部的原始裂隙和孔隙在低应力水平下挤压密实，产生微细观的线黏弹性变形，蠕变变形以平缓的速率增长并最终趋于稳定，此时岩石的流变参数保持恒定；当应力超过该阈值时，在较高应力水平的持续作用下，岩石内部有大量细观分布裂纹产生并且迅速发展，损伤急剧演化累积，导致岩石流变参数发生突变。采用FLAC3D对花岗岩三轴蠕变试验进行三维数值模拟，得到岩石蠕变进入加速阶段的应力阈值。最后结合固体力学的分岔理论，从流变参数的角度考虑，对广义开尔文模型引入损伤变量，建立能够反映岩石加速蠕变阶段的损伤演化方程，对岩石进入加速蠕变阶段后由于参数突变引发的分岔力学特性进行分析，确定引起岩石发生分岔行为的流变参数以及岩石蠕变变形的分岔点。计算结果表明，基于考虑损伤影响的有效初始弹性模量得到的计算曲线与试验曲线的吻合情况较为理想。     

类岩石裂纹压剪流变断裂与亚临界扩展实验及破坏机制

进行双轴压缩条件下类岩石裂纹的压剪流变断裂实验,采用双扭试件的常位移松弛法对类岩石材料进行亚临界裂纹扩展与断裂韧度试验。在实验室尺度上证实了类岩石裂纹流变断裂现象的存在,并且得到了翼形裂纹–翼形裂纹贯通、翼形裂纹–原生裂纹贯通和翼形裂纹–翼形裂纹–剪切裂纹贯通的 3 种流变断裂贯通模式。类岩石材料的流变断裂是一种稳定的裂纹扩展,其本质原因是类岩石裂纹的亚临界扩展。以黏弹性断裂力学、流变力学和能量准则为理论依据,推导以应力强度因子、翼形裂纹长度和时间为内变量的相应势函数,建立多种破坏机制的 压剪岩石裂纹的流变断裂 判据和计算模型。 利用 流变断裂 实验对计算模型进行验证,得出裂纹流变 贯通的 理论时间与实验时间较为吻合,当翼形裂纹的扩展方向与最大压应力方向偏离较大时实验结果与理论模型误差较大。提出的计算方法和理论判据为研究岩石裂纹的流变断裂的细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新而实用的研究手段。     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

 高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。     

Investigation of meso-failure behaviors of Jinping marble using SEM with bending loading system

In this study, the meso-failure mechanism and fracture surface of Jinping marble were investigated by means of scanning electron microscope(SEM) with bending loading system and laser-scanner equipment. The Yantang and Baishan marbles specimens from Jinping II hydropower station were used. Test results show that the fracture toughness and mechanical behaviors of Yantang marble were basically higher than those of Baishan marble. This is mainly due to the fact that Baishan marble contains a large percentage of dolomite and minor mica. Crack propagation path and fracture morphology indicated that the direction of tensile stress has a significant effect on the mechanical behaviors and fracture toughness of Baishan marble. For Yantang and Baishan marbles, a large number of microcracks around the main crack tip were observed when the direction of tensile stress was parallel to the bedding plane.Conversely, few microcracks occurred when the direction of tensile stress was perpendicular to the bedding plane. The presence of a large number of microcracks at the main crack tip decreased the global fracture toughness of marble. The results of three-point bending tests showed that the average bearing capacity of intact marble is 3.4 times the notched marble, but the ductility property of the defective marble after peak load is better than that of the intact marble. Hence, large deformation may be generated before failure of intact marbles at Jinping II hydropower station. The fractal dimension of fracture surface was also calculated by the cube covering method. Observational result showed that the largest fractal dimension of Yantang marble is captured when the direction of tensile stress is parallel to the bedding plane. However, the fractal dimension of fracture surface of Yantang and Baishan marbles with tensile stress vertical to the bedding plane is relatively small. The fractal dimension can also be used to characterize the roughness of fracture surface of rock materials.     

Estimation of cracking and damage mechanisms in rock under triaxial compression by moment tensor analysis of acoustic emission

In highly stressed conditions, the excavation damaged zone induced by stress redistribution and disturbance must be evaluated after tunnel excavation. Therefore, the deformation and fracture characteristics of rock must be investigated. In this study, the fracture and damage mechanisms of rock induced by the accumulation of microcracks were investigated by moment tensor analysis, as well as by the moving point regression technique, both of which were applied to acoustic emission (AE) and strain data obtained from triaxial compression tests. Damage thresholds before the peak strength of rock under triaxial compression were determined by the moving point regression technique using acoustic emission data. The results showed that damage thresholds, except the crack closure stress, increased linearly with confining pressure. The results of the moment tensor analysis showed that shear failure was a major microscopic failure mechanism of rock under triaxial compression. In addition, shear failure became more dominant as the confining pressure increased. In this analysis, the expression of the damage magnitudes in each AE source as relative crack volumes leads to accurate prediction of macroscopic failure mechanisms, as well as major failure planes in the rock. In addition, the orientation of the macroscopic failure plane could be estimated by the orientational distribution of microcracks.     

应力波穿越分形节理时的透反射规律研究

 为探讨应力波穿越不规则节理时的透反射规律,先借鉴分形损伤理论,建立分形损伤本构关系;在此基础上,基于线性位移不连续体模型,引入分形损伤本构,推导应力波穿越非规则节理时透反射系数的解析解,给出透反射系数与分形维数间的理论表达式。通过激光表面仪对节理进行扫描试验,分析节理面的分形几何特征,采用SHPB节理岩石冲击动力学试验手段,探讨应力波穿越单一分形节理时的透反射规律,并将解析解与试验结果进行对比分析,研究结果显示,透反射系数的试验值与理论值之间误差较小,表明所建立的分形损伤本构关系与推导的应力波穿越分形节理的解析解是正确的。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

岩体裂隙结构面的温度-应力-水力耦合本构关系

进行了单、正交裂隙岩体的渗透实验 ,并针对单、正交裂隙岩样在不同温度及应力下的渗流试验特点 ,分析了裂隙结构面变形规律 ,并以此实验成果为基础 ,给出了岩样裂隙结构面温度 -应力 -水力的耦合本构关系式。     

水力致裂法测定分形裂纹下岩石的断裂韧性

 引入分形几何理论,应用分形方法来描述岩石断裂裂纹的曲折形态,进而建立分形裂纹下的岩石断裂韧性理论模型。在此基础上,应用自主研制的内压法岩样断裂韧性测试系统对不同假设条件下的岩石断裂韧性进行测定。结果表明,分形裂纹模型测试得到的岩石断裂韧性大于直线模型的断裂韧性,这也从理论上证实了目前水力压裂作业中理论计算值常低于施工压力的结论,说明应用该文的模型计算结果更接近实际情况。     

Fractal property of spatial distribution of acoustic emissions during the failure process of bedded rock salt

A rock mechanics test system and the acoustic emission (AE) test system were employed to perform experiments on bedded rock salt samples under uniaxial compression and indirect tension. Based on the basic theory of fractal geometry, a column covering method is proposed to analyze the fractal property of the spatial distribution of acoustic emissions during the rock damage and failure process. The experimental results indicate obvious differences in failure features for different parts of a sample due to the structural differences in bedded rock salt. The consistency between the failure state and the AE spatial distribution is confirmed. The relationships of the stress and energy release with the fractal dimension of the AE spatial distribution are established. An increase in the fractal dimension corresponds to a decrease in the stress and an increase in the energy release, which is consistent with the theoretical analysis. When the fractal dimension obtained from uniaxial compression and indirect tensile tests is less than 2.20 and 2.57, respectively, the stresses in the bedded rock salt sample are over 80% of the peak stress. A great amount of accumulated damage occurs, leading to the global failure of the bedded rock salt sample. Therefore, it is possible to forecast the failure state of bedded rock salt by inspecting the variation between the stress or the energy release and the fractal dimension of the AE spatial distribution.     

GSI围岩评级系统下围岩新型统计损伤模型

为了得到受采动干扰、具有一定结构面的巷道围岩的变形破坏机理,采用GSI围岩评级系统对Hoek-Brown准则进行修正来描述岩石微元的强度,通过组成岩石力学性能参数变量的随机性与复杂性,假设岩石材料的力学性能满足对数分布,结合统计损伤力学理论和有效应力原理,建立不同围压作用下的岩石新型统计损伤模型,对岩石的损伤演化规律和应力-应变关系进行研究。结果表明:通过GSI围岩评级系统改进后的破坏准则与试验数据有更好的一致性、更加符合实际;不同种类岩石在不同围压作用下的模型曲线与试验数据拟合程度较高,也说明该本构模型的合理性与正确性;不同围压作用下岩石的损伤演化规律基本呈现S形变化,可以与围岩应力-应变曲线各阶段的破坏变形进行较好地对应与划分,且描述岩石的损伤演化规律与实际围岩的破坏过程基本一致,对实际工程具有指导意义。     

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。     

颗粒复合材料微裂纹增韧的数值模拟

将弹性复合材料体中主裂纹尖端划分为3个不同的区域，导出了各个区域的本构模型及饱和区域的范围。在最大饱和区域内，应用Monte Carlo技术产生均匀分布的微裂纹来表示损伤的各向同性，并采用轮流迭代数值技术来评估主裂纹和微裂纹相互作用。在稀疏微裂纹的假设前提下，忽略微裂纹间的相互作用，主裂纹与每一个微裂纹相互作用的应力强度因子可以叠加。分析了两种荷载源，一个是在无限远荷载作用下主裂纹和微裂纹的相互作用，另一个是伴随着微裂纹面上残余应力的释放主裂纹和微裂纹的相互作用。结果表明，两种荷载源都对主裂纹有屏蔽作用，且主裂尖后的微裂纹有最大的屏蔽作用，主裂尖前的微裂纹没有屏蔽作用。