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。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

基于改进 Weibull 分布模型的岩石单轴压缩变形破裂规律研究

岩石的单轴压缩响应受岩石微细观结构、边界条件、试件形状等影响,呈现出测量强度和变形特性的离散性。针对上述问题,基于连续介质力学的方法,采用非线性损伤本构关系模拟岩石材料的力学响应,在常规Weibull随机分布模型基础上,引入空间相关尺度因子,建立考虑岩石空间相关特性的细观力学模型。采用改进的Weibull分布模型,对不同形状的非均质岩石试件进行单轴压缩数值试验,研究不同加载边界对岩石破损行为的影响,结果表明:端部摩擦、试件形状会影响岩石受压的变形特征及破裂形态,即使试件端部存在较小的摩擦,形状效应仍然存在。为减小单轴压缩试验结果的离散性,需尽量减小端部效应,同时,增加试件的高宽比。     

北山花岗岩细观损伤力学本构模型研究

 甘肃北山花岗岩是一种典型的准脆性材料,与裂纹有关的非弹性变形和损伤发展是其材料劣化和结构破坏的基本力学机制。基于均质化方法和热动力学理论,提出模拟北山花岗岩非线性力学行为的损伤–摩擦耦合本构模型。把花岗岩看成是由基质和大量分布的微裂纹构成的非均质材料,并以固体基质和币型微裂纹构成的特征单元体为研究对象。通过均质化方法确定特征单元体的自由能表达式,推导出与非弹性应变和损伤变量相关联的热动力学力,分别采用关联的广义库仑摩擦准则和基于应变能释放率的损伤准则来描述非弹性应变和损伤的演化。通过损伤–摩擦耦合分析进行强度研究,获得岩石强度的解析表达式,并明确损伤抗力函数的基本特征。运用所提出的细观力学损伤模型对北山花岗岩的三轴压缩力学特性进行模拟。数值模拟结果和试验数据具有较好的一致性,可验证模型的准确性,显示多尺度本构模型的突出优点。     

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

 采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。     

类岩石材料微裂纹损伤模型分析

本文建立了压缩荷载作用下类岩石材料的二维和轴对称微裂纹损伤的有效场模型及三维微裂纹损伤的Ｔａｙｌｏｒ模型,分析了微裂纹随外加应力而发生扩展的运动过程,根据扭折型裂纹模型建立限损伤柔度的求解公式,并给出了算例。二维模型和轴对称模型的数值模拟结果表明本文提出的有效场模型的计算结果介于Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的计算结果之间,与实验结果具有良好的一致性。三维模型的数值模拟结果则表明中主应力对类岩石材料的     

岩石与水相互作用的正交各向异性损伤数值模拟

提出一种正交损伤模型,该模型能分别描述岩石材料的弹性变形、损伤变形和其他不可逆变形能。在该模型中,以二阶损伤张量来描述损伤的发展,损伤演化相关于裂纹扩展标准。以Gibbs自由能获取损伤材料的有效刚度矩阵。以能量原理合理地推导损伤参数的限制范围,提出借助于三轴试验决定模型参数的方法。对不同加载路径的饱和砂岩试验结果进行模拟,该模型的数值结果和试验结果吻合较好。随后,推广该模型到不同加载路径下得到岩石与水相互作用的力学特性,数值结果也显示：推广的模型是可以描述岩石与水相互作用的主要水力学特性的。     

含软弱夹层岩石材料的损伤破坏过程

对含软弱夹层的岩石材料损伤破坏过程进行了试验观测和计算模拟研究。试验所用岩石材料为房山大理岩，平板状试件中心预制的割缝用较大理岩软弱的水泥砂浆充填。对试件受单轴压缩过程中，岩石材料和充填水泥沙浆中微裂纹的萌生、扩展、连通和闭合等过程进行了观测分析及显微照像。用NOLM程序中的低抗拉应变软化本构模型对试验结果进行了有限元模拟计算。计算中，试件的几何形状与试验所用的完全相同，岩石材料的强度取为填充材料的5倍，加载采用试件的一端固定另一端逐步增加位移的办法来实现，由位移值反算出对应的远场单轴压缩载荷，将计算结果与试验观测结果进行对比，吻合较好。与野外观测相比，填充割缝能够更好地模拟实际的地质构造现象。     

单裂隙砂岩蠕变模型参数时间尺度效应及颗粒流数值模拟研究

深部高应力环境下硬岩的蠕变变形不可忽略,尤其是裂隙岩体的蠕变变形。为研究含裂隙硬岩的长期蠕变变形行为及蠕变模型,采用高速水射流技术在红砂岩试样中预制了一条贯穿的α=45°单裂隙。确定了该裂隙岩石在围压30 MPa下的三轴压缩强度,采用单级加载方式对试样进行长期压缩蠕变试验,蠕变应力水平约为峰值偏应力的80%。试验结果表明:经历539 h(约22 d)的含45°单裂隙红砂岩只出现衰减和稳态蠕变变形,未发生加速蠕变破坏。为描述裂隙岩石的蠕变变形,在Burgers模型基础上基于有效应力原理建立了考虑损伤的蠕变模型。通过最小二乘法得到的蠕变模型参数显示出显著的时间效应,据此提出了考虑时间尺度的损伤蠕变模型,该模型可以描述裂隙岩石在不同时间尺度下的蠕变变形。最后,采用颗粒流程序PFC~(2D)对试样的三轴压缩及蠕变进行了数值模拟,数值计算结果与试验结果吻合程度较高。研究工作为进一步研究裂隙硬岩的蠕变变形和模型提供了一定的参考价值。     

含孔洞硬岩破坏过程的离散元分析

基于颗粒离散元理论,采用数值试验模拟含孔洞凝灰质砂岩在单轴、双轴和三轴压缩条件下的破坏过程,并从峰值强度、微裂纹数目和能量等角度分析不同加载方式的影响。研究结果表明：无论采用何种加载方式,试样破坏均是从孔洞周边开始的;单轴压缩的孔洞变形与双轴及三轴压缩不同,且在试样侧面中间形成一条明显的贯通拉裂缝;三轴压缩对试样承载能力的提高明显大于双轴压缩,且围压越大,两者对试样承载能力的提高幅度之差越大;双轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而减小,而三轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而增大;应变能的变化过程可以反映试样的破坏过程,其峰值主要受围压影响;耗散能的变化过程可以体现试样破坏过程中细观颗粒的滑移、摩擦程度,其变化规律与加载方式和围压均有关。     

裂隙随机分布时岩体力学性质对应力状态的依附性

在不考虑裂隙相互作用和裂隙断裂扩展并假设裂隙随机分布的情况下，运用线弹性断裂力学理论和闭合裂隙模型探讨了在三轴压缩、单轴压缩以及单轴拉伸3种情况下裂隙岩体变形模量的变化规律。对裂隙岩体变形而言，裂隙密度参数和裂隙面摩擦系数是最重要的2个影响因素。随着裂隙密度参数的增加，变形模量有减小的趋势；随着裂隙摩擦系数的增加，变形模量有逐渐增加的趋势。通过计算分析可以看出，三轴压缩时的变形模量最大，单轴压缩时的次之，单轴拉伸时的最小。     

渗透环境下化学腐蚀裂隙岩石破坏过程的CT 试验研究

 通过CT扫描试验研究渗透及无渗透环境下受化学腐蚀及未受化学腐蚀预制裂隙砂岩的三轴压缩破坏过程,分析试件破坏过程中各层面的CT数变化规律,并对渗透环境下不同试验阶段试验参数的变化规律以及渗透环境对砂岩强度的影响进行分析。试验结果表明,在微裂隙扩展与主裂隙贯通的过程中,对于无渗透环境,由于微裂隙发育导致裂尖处有所密合,之后随着试件的破裂CT数逐步减小;而对于渗透环境,由于孔隙水压力作用,在此过程中裂尖处无密合现象,而是继续开裂,CT数继续减小直至破坏。试件破坏后,无渗透环境下试件破坏时产生的裂隙较单一,而渗透环境下由于渗透作用和孔隙水压力作用,试件破坏时产生的裂隙相对来说较复杂,说明渗透环境对试件的破坏损伤作用较大。在试件变形从应力–应变曲线的线性阶段开始到裂尖破裂阶段,渗透环境的影响对应力以及变形所经历的时间大小起主要决定作用;在试件变形从裂尖破裂到裂隙贯通阶段,应力以及变形所经历的时间受化学腐蚀程度和渗透环境共同影响。渗透环境对砂岩强度的影响非常明显,无渗透环境下试件的强度远大于渗透环境下试件的强度,如试件经浓度为0.01 mol/L,pH值为2的NaCl溶液腐蚀后,其强度只有无渗透环境下的16.6%。     

柱状节理岩体压缩破坏过程模拟及机制分析

 将柱状节理岩体整体考虑为一种广义宏观复合材料是一种行之有效的研究方法,为此建立复合型多弱面软化模型,采用VC++语言成功开发并嵌入FLAC3D程序。以白鹤滩水电站的地质条件为研究背景,对柱状节理岩体进行单轴压缩和三轴压缩的模拟计算,分析不同节理面倾角和倾向的试块破坏过程,得出各种情况下破裂面分布和破坏形态,并总结具有普遍意义的破坏规律。通过三轴试验还得到在处于合适的地应力条件时,柱状节理岩体整体强度及节理面之间的咬合力均较高的结论,与现场勘测结果一致。同时,研究压缩破坏过程中外载和变形的规律、塑性破坏区的产生、破裂区的分布和发展以及能量的耗散等,从多方面对柱状节理岩体的破坏机制进行探讨,以便更好了解该类岩体的力学特性。     

深埋大理岩脆性破裂细观特征分析

脆性材料的破裂过程与裂纹的扩展密切相关,其细观结构特征直接决定宏观力学行为表现,但目前受限于试验仪器,还无法完全把握脆性破裂的细观机制,必须将试验方法和数值方法有机结合。首先利用MTS完成大理岩的单轴和三轴压缩试验,并在试验过程中对声发射信号进行全程监测,利用获得的试验数据详细分析深埋大理岩破裂特征,明确内部裂纹的发展演化规律以及对大理岩宏观力学特性的影响。通过引入颗粒流程序(PFC),借助于已经完成的单轴和三轴试验成果获得PFC计算中的颗粒参数和颗粒胶结面参数,利用BPM模型模拟脆性岩石的破坏。结果表明,PFC能够从细观尺度准确地再现深埋大理岩试验过程中的裂纹扩展和破裂特征,并且能够展现在实际试验过程中无法监测和获得的有价值的细观破坏特征,为描述脆性岩石的破裂特征和复杂力学行为提供可以依赖的描述方法。     

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。     

层状大理岩卸荷力学特性试验研究

 以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明：平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,j 值低,残余内摩擦角jr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,j 高,jr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数m 的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

Boom Clay蠕变特性研究

Boom Clay为比利时第三纪细密黏土沉积物,其力学性质十分复杂,尤其是其显著的蠕变特性更需进行广泛的试验和深入的理论研究。通过室内固结和三轴蠕变试验,研究不同应力水平下的蠕变特性;建立以不可恢复应变为变量的不显含时间的分离型屈服面蠕变本构模型,避免了传统显含时间项的蠕变模型在土体经历加、卸载过程等复杂工况的实际计算中,具体蠕变时间确定的难题。将所建新型蠕变模型在ABAQUS软件中实现二次开发,并通过不同蠕变参数下的基本性能检验和蠕变试验的模拟,验证了所建模型的正确性和所编程序的可靠性。     

盐岩短期强度和变形特性试验研究

分别选定湖北应城盐矿和江苏金坛盐矿为示范工程,通过盐岩单轴压缩试验、三轴压缩试验及巴西劈裂试验,对两盐矿的盐岩试样的短期强度和变形特征进行分析,获得盐岩的短期强度和变形的力学参数。分析表明,两盐矿的盐岩表现出许多共同的力学特性,但在量值上却有差异。利用试验结果绘制莫尔包络线,分别得到两盐岩的强度参数,结果表明,两地盐岩的强度均符合Mohr-Coulomb破坏准则。试样弹塑性变形能力和扩容变形能力的分析表明,盐岩具有一定的塑性变形和扩容变形能力,高围压下还表现出明显的应变硬化特征。本研究成果可为盐岩地下工程稳定性分析及能源深部地下储存及选址提供一定的参考。     

三峡花岗岩起裂机制研究

从三峡花岗岩常规三轴实验出发,通过研究裂纹应变的变化规律,得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结果表明,起裂应力与围压变化幅度一致,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的25%～50%。进一步的实验与理论分析认为,三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹,由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析,研究起裂应力、起裂角与围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现,二者在一定围压区间是比较接近的。