花岗岩材料在动态压应力作用下力学特性的实验和模型研究

 博士学位论文摘要　岩石材料动态力学特性是评价岩石结构在爆炸以及地震载荷作用下稳定性的重要参数, 是国防和民用防护工程研究的基本资料, 具有重要的学术价值和应用价值。对花岗岩材料在动态压应力(单轴和三轴) 作用下的力学特性进行了较系统的实验和理论研究。首先通过实验研究了花岗岩材料的动态断裂特性以及在单轴和三轴动态压应力作用下的强度以及变形特性。结果表明, 花岗岩的动态断裂韧度随加载速率的增加以及加载时间的减小而增加。在单轴情况下, 花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化很小。在三轴情况下, 花岗岩的抗压强度也随应变速率的增加而增加, 强度的增加幅度随围压的增加有减小的趋势, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化不大; 花岗岩的杭压强度随围压的增加明显增加, 在不同的应变速率下具有相同的趋势, 花岗岩的杨氏模量以及泊松比随围压的增加有小幅度的增加趋势。在实验研究的基础上, 应用滑移型裂纹模型对花岗岩材料在压缩应力作用下的力学特性进行了理论研究。在单轴情况下, 采用一组与轴向应力平行的滑移型裂纹系列模拟岩石材料的劈裂破坏模式同时考虑裂纹间的相互作用。根据裂纹的动态扩展准则以及能量平衡理论, 得到了不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系, 这些理论结果与实验结果符合得非常好。本部分的研究还表明, 在动载荷作用下, 裂纹的扩展速率以及岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性导致岩石材料的单轴抗压强度随应变速率的增加而增加。当应变速率为10- 4～ 100S- 1范围时, 裂纹的扩展速率对岩石材料的破坏影响可以忽略, 岩石材料的抗压强度随应变速率的增加仅仅由于岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性造成。在三轴情况下, 用一组与轴向应力成一定夹角的滑移裂纹系列模拟岩石材料的剪切破坏模式, 并根据虚拟力方法得到了该裂纹系列的应力强度因子表达式。根据动态裂纹扩展准则以及能量平衡理论, 也得到了不同围压以及不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系。结果表明, 花岗岩的抗压强度以及应力应变关系随应变速率的变化规律与实验结果符合得比较好。模型结果还表明, 由模型得到的强度以及应力应变曲线随围压的变化规律在较低围压时(小于110M Pa) 与实验结果符合得比较好。本项研究在实验研究的基础上, 创新性地从研究岩石内部固有的微裂纹在动载荷作用下的扩展聚合特性入手, 结合细观力学以及动态断裂力学的相关理论, 揭示了花岗岩的率相关特性机理, 初步建立了岩石材料宏观动态力学特性与岩石内部固有的裂纹动态扩展特性的关系以及岩石材料强度与应变速率的关系和率相关的岩石材料本构模型, 构筑了系统研究岩石材料率相关特性的基本框架。     

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。     

三轴压缩情况下岩石变形特征的滑移型裂纹模拟

根据滑移型裂纹模型,基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理,建立了三轴压缩情况下岩石材料的变形模型,并模拟了围压为20,50,80 MPa时花岗岩的变形特征。研究结果表明,模拟结果与实验结果符合得比较好,为通过裂纹模型定量研究岩石材料在三轴压缩情况下的变形特征提供了一种可行方法。     

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。     

岩体的压剪损伤机理及其在岩爆分析中的应用

本文探讨了压剪裂纹的启裂和扩展准则，对前人的经验性判据进行了理论分析，在此基础上建立了考虑裂纹闭合效应和裂纹相互作用的岩体压剪细观损伤力学模型。根据压剪损伤模型，发现岩爆是在洞室开挖过程中（或开挖完毕后）围岩发生应力调整（切向应力增加、径向应力减小）而诱发岩体中的预存裂纹发生摩擦滑移、界面扩展、裂纹扭折以至裂纹相互连接而导致围岩发生宏观脆性断裂的产物。数值模拟结果表明：本文建立的压剪损伤模型的计算结果与实验结果具有良好的一致性，并且裂纹闭合应力对岩体的应力－应变关系具有明显的影响，表现为损伤应变随裂纹闭合应力的增加而增加，尤其是侧向应变更加显著。     

单轴压缩条件下花岗岩变形与破坏特征试验研究

为准确得到甘肃北山核废料地质处置区花岗岩围岩强度与变形特征。在MTS815岩石电液伺服机上对花岗岩进行了单轴压缩试验,并对试验结果进行了系统的分析。结果表明:北山花岗岩在单轴压缩条件下形成了平行于轴压方向上的张拉裂纹,而在达到峰值强度后裂纹迅速扩展,并纵向贯通,将岩石分为竖向块体,呈现出脆性破坏特征;将花岗岩石峰前应力应变曲线分为四个阶段,初始压密、弹性变形、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展阶段。应用裂纹体积应变模型求得各阶段终止时分别对应岩石的四个特征应力值:起裂应力、弹性应力、损伤应力和峰值应力;依据裂纹体积应变概念,将轴向应变与径向应变分为裂纹应变与弹性应变,提出可以通过比较轴向与径向裂纹应变间的大小来确定其起裂方向。     

花岗岩试件三点弯曲试验裂纹扩展数值模拟

通过运用岩石破裂过程分析(RFPA^20)系统，对花岗岩试样三点弯曲试验裂纹的扩展进行了数值试验。数值试验结果表明：在对花岗岩试样加载过程中，裂纹的扩展路径总体上遵循一定的规律，即该裂纹扩展为沿晶扩展；由于花岗岩本身的非均匀性，局部的裂纹扩展呈现出曲折性。数值模拟结果与相关试验结果具有较好的一致性。     

非均质细胞元随机分布对高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究

在平面应变模型下,以花岗岩为样本,采用随机介质固热耦合数学模型及有限元方法进行了高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究。在指数分布、韦泊分布2种随机分布和温度的作用下,研究了材料非均质性对岩石介质中裂纹扩展的影响,并对岩石热破裂做了详细研究,揭示了概率分布形式、分布参数.时间与花岗岩样本的热破裂过程的变化规律。     

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。     

PDC刀具切削花岗岩过程的微裂纹扩展

采用偏光显微镜观察ＰＤＣ（聚晶金刚石复合片）刀具切削花岗岩的微观过程，研究切削过程微裂纹产生和扩展的规律。分析了矿物特性如矿物成份、晶粒大小及初始裂纹等对微观裂纹扩展路径的影响。研究结果表明：在切削深度较小时，矿物特性对花岗岩微裂纹的产生与扩展过程起主导作用。     

Micromechanical modelling of the mechanical properties of a granite under dynamic uniaxial compressive loads

A micromechanics-based model is used to study the mechanical properties of a granite under dynamic uniaxial compressive loads. The model is based on interacting sliding cracks uniformly distributed in the rock material. A dynamic crack growth criterion, which is related to crack growth velocity and dynamic fracture toughness of the rock material, is employed in the analysis. Under dynamic loads at strain rates from 10⁻⁴ to 10⁰ s⁻¹, the crack growth velocity is small compared to the critical crack growth velocity and the effect can be ignored. The strengths of the granite obtained by micromechanical modelling agree with the experimental results. A constitutive relation of the granite is derived from the energy equilibrium equation and correlated with the experimental results.     

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。       

裂隙岩体锚固止裂的数值模拟研究

 压剪应力作用的裂隙岩体其裂纹尖端附近将产生较大的塑性屈服区，从应变角度出发研究裂纹的扩展路径，应用等效应变与降温法施加锚索的预应力，依据裂纹最短塑性区距离判据对不同倾角裂纹的锚固止裂机制进行有限元模拟，比较有无预应力锚固条件下不同倾角裂纹尖端的强度因子与应变变化及裂纹面上下中节点的位移错动规律。研究结果表明：当裂纹倾角为30°～60°时，预应力锚索对岩体的加固作用明显；裂纹倾角为45°时，预应力锚索锚固影响作用最明显，此时裂纹尖端的应力、应变集中现象得到削弱，裂纹尖端附近的塑性应变梯度减小；裂纹倾角为0°，90°时，裂纹尖端的最小塑性区距离值比相应的未锚固条件下的值大，裂隙岩体预应力锚索锚固时对岩体的压缩效应远大于其剪切效应。     

基于X射线CT的岩石内部裂纹宽度测量

岩石内部裂纹变形、扩展和扩张是试样在裂纹演化阶段的主要过程。研究基于X射线CT的岩石内部裂纹宽度测量问题，根据岩石变形破坏的细观机制，分析了岩石密度损伤与体应变的关系。对脆性岩石来说，岩石的体积变形与其密度损伤有一一对应关系。基于X射线密度损伤增量公式，推导出岩石体应变公式，得到岩石内部裂纹宽度的普适性计算公式。据此测得岩石中两条CT尺度裂纹在不同应力阶段的宽度，并与有关公式进行了比较，相互得到验证。说明在动态条件下岩石内部裂纹宽度测量问题在理论上可以得到解决。     

Damage around a cylindrical opening in a brittle rock mass

This paper presents an application of the sliding/wing crack model to the problem of a cylindrical opening in a brittle rock mass subjected to a hydrostatic stress field. The rock mass is assumed to contain a uniform initial distribution of microcracks. These microcracks serve as sources of stress concentration, and can propagate tensile wing cracks at their tips in a compressive stress field. It is shown that the sliding/wing crack model can essentially reproduce the complex stress–strain response obtained in laboratory experiments. The stress and displacement field induced by excavation of a tunnel in such a brittle rock mass is determined using the Biot Hodograph Method. The condition for instability of the tunnel can be inferred from the wing crack density, which characterizes the degree of rock damage around the tunnel.     

Crack control design due to drying shrinkage in restrained reinforced concrete wall

This study considered the crack control design method of reinforced concrete wall subjected to uniaxial tension caused by drying shrinkage. From this study, a practical crack control design method of RC wall by controlling the restraint tensile strain caused by drying shrinkage was proposed. In addition, the validity of the proposed method was investigated by comparing with the experimental results (restraint ratio and restraint tensile strain) of small‐scale RC wall specimens under the uniaxial restrained condition. In conclusion, there was good agreement between the values predicted by the proposed method and the experimental values. It is expected that the method proposed in this study enables quantitative crack control design through rational combinations between the materials and structural design. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

软粘土地基中齿坎抗滑效应的研究

通过位于软弱地基中的无齿挡墙和齿坎式挡土结构物的现场抗滑试验，研究了齿坎对挡土结构物所起的抗滑作用，还用非线性有限元方法对现场试验成果进行分析，通过研究得出结论：尽管齿坎较短，但对挡土结构物的抗滑作用颇大，在试验齿长范围内，抗滑力与齿长成正比，当挡土结构物处于极限破坏状态时，齿前土压力达到‘被动’土压力值，而齿后主动土压力甚小，有限元分析与现场试验成果具有很好的一致性，最后用有限单元法研究了齿坎的临界长度。