基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grainbasedmodel,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性。对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值试验,分析研究应力–应变曲线、试样破坏模式及微裂纹的发展与演化规律。结果表明:岩石试样加载过程中的新生裂纹以晶内和晶间的拉伸裂纹为主,裂纹的发展可分为初始阶段、稳定发展阶段、快速发展阶段和峰后阶段;在10MPa条件下的双轴压缩中裂纹扩展的形态与单轴压缩相比具有中心对称和边缘延展2个明显的特性;峰值应力下各类型破坏裂纹数量随双轴试验围压增加呈现不同程度的增长趋势。从应变–裂纹数量角度分析,除晶间剪切裂纹外,围压对其他类型裂纹的前期发展存在不同程度的抑制作用;非均质性系数大的双裂隙岩石加载过程中更易出现应力集中且双轴压缩时破坏形式更易从拉伸破坏向剪切破坏转换。     

北山花岗岩细观非均质性对单轴压缩力学特性影响的FDEM数值研究

为了研究细观非均质性对北山花岗岩中微裂纹萌生、扩展和贯通等破裂过程的影响,基于有限元/离散元耦合方法(FDEM)和数字图像处理技术(DIP),结合矿物晶体模型(GBM),分别构建3类北山花岗岩细观结构表征模型：聚类均布模型、Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型。基于3类模型开展了单轴压缩试验研究,探究细观非均质性对北山花岗岩力学特性、声发射(AE)特征以及颗粒尺度裂纹扩展规律的影响。研究结果表明：3类模型均能捕获从微破裂损伤至宏观破裂的演化过程,即首先以晶间张拉裂纹为主,随后产生穿晶断裂,转变为以晶内裂纹为主,张拉破坏占主导地位;细观结构表征方式对模拟岩石的特征应力(启裂应力和损伤应力)控制效应非常显著;Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型的AE特征与室内试验更为吻合;硬矿物含量的增大,会导致单轴抗压强度、特征应力和弹性模量增大,而泊松比反之;颗粒尺寸的增大,会导致单轴抗压强度和损伤应力明显减小;特征应力与刚度非均质性因子呈负相关。     

基于矿物晶体模型非均质岩石单轴压缩力学特性研究

为研究岩石微观结构非均质性对宏观力学特性及裂纹扩展规律的影响,结合花岗岩室内单轴试验及矿物晶体模型(Grain-based model, GBM)对岩石的微观矿物结构进行离散元建模,研究了非均质岩石宏观应力-应变曲线、声发射及晶体尺度裂纹扩展规律。通过改变岩石微观结构进一步研究了不同矿物组成条件下岩石宏观力学特性及其变化原因。结果表明:GBM可在考虑岩石微结构及强度非均质的条件下,有效模拟岩石加载过程中宏观及微观力学特性;加载初期,岩石内部晶体尺度裂纹首先以晶间裂纹为主,随后转变为以晶内裂纹为主,且裂纹破坏主要为拉伸破坏,岩石破坏时拉伸裂纹及晶内裂纹与总裂纹占比分别约为93.87%,60.95%;加载过程中,岩石微裂纹首先随机分布在岩石内部,后开始聚集并造成宏观破裂面的出现,且宏观破裂面的形成主要与矿物晶体内裂纹的扩展及聚合有关;随岩石内长石矿物含量的增加,岩石峰值应力与损伤应力整体呈增加的变化趋势,且该变化规律可能与长石矿物内裂纹数增加及云母矿物内裂纹数减小有关;通过矿物晶体模型对岩石微观结构进行模拟并对非均质性所造成的力学特性变化进行微观尺度解释,有利于更好理解岩石非均质性与宏观力学特性的关系。     

蠕变作用后大理岩强度与变形特性试验研究

为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,分别在裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段,对大理岩进行不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,分析不同条件蠕变作用后大理岩强度与变形特性的变化规律,同时提出采用体变速率进行岩石变形阶段划分的新方法。结果表明:(1)裂隙压密和弹性阶段蠕变对大理岩力学性能起强化作用,随蠕变时间增长,强度和弹性模量增大,泊松比减小,且弹性阶段蠕变的强化程度大于压密阶段。裂隙稳定扩展阶段蠕变呈现相反的变化规律,起劣化作用,而岩样在非稳定扩展阶段蠕变预处理时快速破坏;(2)依据扩容速率可将岩石变形过程分为3个阶段,分别为平稳压缩阶段、加速扩容阶段及减速扩容阶段;(3)裂隙压密和弹性阶段蠕变后,大理岩峰值扩容速率随蠕变时间增长略有减小,裂隙稳定扩展阶段蠕变后则随蠕变时间增长显著增大;(4)原始岩样和蠕变作用0 h后岩样的单轴压缩破坏形态以单一剪切面破坏为主。随蠕变时间增长,裂隙压密和弹性阶段蠕变后岩样破坏形态转为沿轴向劈裂破坏,裂隙稳定扩展阶段蠕变后转为剪切、劈裂组合破坏,除几条主裂隙外,还伴随众多次生裂隙。     

砂岩蠕变特性及蠕变力学模型研究

应力水平对岩石蠕变特性有很大的影响。通过对砂岩单轴蠕变试验研究表明:当加载应力远小于屈服应力时,应变速率持续衰减最终保持恒定,只产生蠕变的第1,2阶段,试件不会破坏,属于稳定型蠕变;当加载应力大于或小于但接近于屈服应力时,应变速率先衰减后加速增长,蠕变的3个阶段都产生了,在蠕变第3阶段产生了轴向方向的3条裂纹,最终裂纹扩展贯通而破坏,破坏形式为张性拉裂破坏,属于非稳定型蠕变。实验说明,屈服应力是岩石产生极非稳定型蠕变的一个临界值。根据加载应力水平产生的蠕变差异,建立了砂岩的经验本构模型和蠕变力学模型,为岩体工程建设提供借鉴与参考。     

不同温度及应力状态下北山花岗岩蠕变特征研究

 基于不同温度及应力状态下的蠕变特性试验,结合三维声发射实时监测信息,开展北山花岗岩的蠕变变形特性以及加载条件(温度、围压和应力状态)对其蠕变破坏过程的影响研究。试验结果表明,北山花岗岩的蠕变破坏包括初始蠕变阶段(瞬态蠕变)、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段,在加速蠕变过程中裂纹迅速扩展和积聚是导致岩石最终破坏的主要原因。蠕变试验过程中,声发射累计数和岩石蠕变体积应变的演化趋势整体上具有一致性,但声发射信号对岩石变形破坏的敏感性更强。对试验数据综合对比分析显示,花岗岩蠕变破坏变形受围压的影响显著,围压越高,岩石蠕变破坏前所能承受的变形越大。温度和应力水平对蠕变破坏变形影响并不明显,但可以对蠕变速率造成影响,进而改变岩石的蠕变破坏时间。根据试验结果,在围压2,10,30 MPa条件下,北山花岗岩的蠕变破坏轴向应变平均值分别为0.34%,0.54%和0.71%。     

混凝土单轴压缩蠕变试验的模拟研究

通过对混凝土试件进行数值模型重构,研究不同恒定轴向应力下混凝土轴向应变的变化、破坏模式以及微裂纹的倾角规律。主要结论为(1)轴向应力与失效时间符合幂函数关系,拟合得到混凝土的单轴压缩的长期强度为44.83 MPa,与瞬时抗压强度的比值为0.80;(2)在蠕变加载过程中,蠕变曲线大致可以分为3个阶段,即初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段,其中等速蠕变阶段持续时间最长;(3)在外部恒定荷载下界面过渡区首先萌生微裂纹,随后微裂纹逐渐扩展,最终贯通整个试件,发生单剪切面破坏或者"X"型共轭剪切破坏;(4)微裂纹倾角分布在两个集中范围,即40°~80°和130°~160°,许多微裂纹所组成的主破裂面是混凝土试件蠕变失稳破坏的最重要的因素。     

基于CT-GBM重构法的花岗岩裂纹扩展规律研究

为从矿物尺度研究花岗岩在单轴压缩作用下的裂纹扩展规律,提出一种将高精度内部结构探测技术与PFC颗粒流数值模拟相结合的CT-GBM(computed tomography-grain based model)建模方法,用于构建基于真实矿物晶体结构的二维GBM模型。根据室内单轴压缩试验所获取的宏观力学参数及破坏形式对所建立模型的细观参数进行校正,并基于所校正模型探究花岗岩矿物晶体裂纹扩展规律。结果表明：CT-GBM建模方法可有效地模拟和复现花岗岩的硬脆特性及劈裂破坏形式。花岗岩在单轴压缩加载过程中主要经历4个阶段：无裂纹阶段、裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段。在破裂过程中,微裂纹萌生的次序分别是：晶间拉伸裂纹、晶间剪切裂纹、晶内拉伸裂纹、晶内剪切裂纹,并且以晶间拉伸裂纹为主。而从矿物类别角度考虑,微裂纹首先在长石矿物内部萌生,随后是石英和云母,其中汇聚成核的区域以云母和长石矿物为主。     

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。     

非均匀岩石裂纹扩展机制的数值分析

应用东北大学开发的RFPA2D软件,通过数值手段对预制裂纹的非均匀岩石单轴加载条件下的裂纹扩展模式进行了研究,结果表明:非均质度越差,材料的破坏峰值强度越低;裂纹扩展模式受岩石均质度制约,当岩石的均质度较低时,裂纹扩展表面粗糙,且呈现断断续续方式扩展,并且在扩展中出现跳跃方式,与均质岩体有本质区别;均质岩体AE分布集中于裂纹尖端,而非均质岩体裂纹呈弥散分布,并最终逐渐集中而形成裂纹.     

冻结粉土的动静蠕变特征比较

通过动、静荷载作用下冻结粉土的蠕变试验,发现在初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段,动蠕变的应变值小于静蠕变,而由于稳定蠕变阶段动蠕变的蠕变速率大,应变迅速增加,导致动蠕变的稳定蠕变阶段很短,迅速进入渐进流阶段,此时其应变值大于静蠕变;动、静蠕变的破坏特征与加载应力的变化趋势相同,但数值不同,动蠕变的破坏时间、破坏应变都小于静蠕变,最小蠕变速率值大于静蠕变,且加载应力越小,二者的差别越明显。     

岩盐蠕变行为的宏细观损伤特性试验研究

 岩盐的长期力学行为是地下储气库建设安全评估的重要参数,其蠕变特性和所受荷载条件(应力、温度、湿度)与其内部结构紧密相关。利用数字图像相关技术研究金坛岩盐不同尺度下蠕变过程及损伤演化。数字图像测试技术不仅给出材料在100 µm和厘米尺度全场应变分布,而且跟踪裂纹的发展变化。重点介绍不同应力水平下材料的蠕变行为,试验结果验证了蠕变速率随应力水平的提高而增加,测量到该岩盐在11 MPa的单轴条件下的宏观尺度稳定蠕变速率为10－9 s－1左右,而细观蠕变速率与其对应的结构紧密相关。蠕变过程中,裂纹扩展引起的损伤被准确定位,主要在晶粒与晶粒之间,且主要属于张拉破坏。     

细观结构的非均质性对花岗岩强度及变形影响的颗粒流模拟

基于等效晶质模型建模方法,利用颗粒流软件PFC2D实现对花岗岩细观结构的重建,开展了一系列不同围压下的花岗岩常规三轴压缩试验研究。揭示了晶体粒径分布所造成的细观结构上的非均质性和Mohr–Coulomb强度准则和Hoek–Brown强度准则中各参数的关系以及对岩石脆性的影响。研究结果表明,非均质性对岩样受压加载情况下的应力–应变曲线具有显著的影响。随着非均质因子增加,岩石由均质变为非均质,弹性模量逐渐减小,泊松比增加。随着非均质性因子的增加,岩石抗压强度减小、内聚力增加、内摩擦角减小。对同一类花岗岩而言,Mohr–Coulomb强度准则和Hoek–Brown强度准则中各参数的取值并非恒定,而是一定程度上依赖于内部的细观结构。当岩石细观结构变化时,两种强度准则中的参数也随之改变。细观结构的非均质性对岩石的脆性指标影响较大,随着非均质性因子的增加,岩石脆性指标减小。     

花岗岩破裂全过程的声发射特性研究

声发射是许多材料发生脆性破坏(包括其微裂纹的初始、扩展)过程中伴随的很普遍的现象。应用两套声发射系统,研究在单轴压缩荷载条件下10个花岗岩样(70mm×70mm×150mm)破裂过程中,随加载时间、应力变化其声发射活动的特性;通过应用单纯形算法对声发射事件定位,分析岩样破裂过程中其内部微裂纹初始、扩展过程的空间演化模式。试验结果表明:(1)在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;(2)在初始加载阶段直至初始裂纹形成之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在其加载时间点和相应的应力点处声发射事件明显增多;(3)在裂纹初始形成之后到微裂纹扩展之前,声发射活动处于一段平静期,裂纹稳定扩展直至岩石完全破坏,声发射活动变得异常活跃,特别在微裂纹扩展的非稳定阶段,声发射事件随加载时间及应力变化率非常显著。对于岩样内部初始裂纹形成之后的“平静区”而言,初始裂纹形成之后,并非裂纹随着荷载或者应变的变化而直接扩展,而需要蓄积一定的加载能量,在能量蓄积一定程度之后再进行扩展,即岩石初始破裂之后,其内部应力场需要寻求新的平衡,新应力平衡达到之后裂纹才开始进一步扩展;同样,当岩石完全破坏之后,应力也没有立即完全释放,亦是达到新的应力平衡之后,才完全失去其强度。声发射事件定位结果直观的反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态,这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

温度梯度冻土蠕变变形规律和非均质特征

采用K₀DCGF（K₀固结—保持荷载冻结—形成温度梯度—再试验）方法,开展不同温度梯度冻结饱和黏土三轴蠕变试验,研究冻土蠕变变形规律和温度梯度诱导的冻土非均质特征。结果表明：K₀DCGF模式中温度梯度冻结饱和黏土蠕变曲线由瞬时蠕变、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段组成;温度梯度冻土径向蠕变速率小于轴向蠕变速率;温度梯度冻土最小轴向蠕变速率与蠕变应力之间满足指数函数关系,而长期强度极限与蠕变破坏时间之间则满足对数函数关系;梯度温度冻结过程中的水分场重分布和试验后冻土变形的非均匀分布是K₀DCGF蠕变试验中“温度梯度诱导的冻土非均质性”的重要体现;蠕变试验后温度梯度冻土冷端含水量最高,密实度最大;蠕变试验后温度梯度冻土宏观径向变形/试样高度沿试样高度方向分布随蠕变应力增加由先增加后降低规律逐步演化为持续增加规律,这一现象与冻土初始瞬时蠕变速率密切相关。     

基于细观力学的脆性岩石长期蠕变失效研究

蠕变特性是评价岩石长期失效特性的重要依据。基于岩石细观力学模型及裂纹扩展法则,结合细观裂纹长度与宏观应变定义损伤之间的联系,建立细观裂纹扩展与宏观应变之间的关系,并给出岩石的应力–应变关系及三级蠕变演化表达式。研究岩石渐进失效过程中不同围压下的应力–应变关系,并分析分级加载下的蠕变演化规律,其结果与试验结果吻合较好,验证了提出的细观模型的合理性。然后,对不同常应力状态下的蠕变失效时间与稳态蠕变率进行研究,其结果对高地应力下地下支护结构的设计及服役寿命的评估具有重要指导意义。     

基于Multi Pb-GBM方法的花岗岩细观力学行为数值研究EI北大核心CSCD

花岗岩以其优越的力学性质在工程中被广泛利用,提出一种多级平行黏结晶体模型(MultiPb-GBM)用以模拟类晶体花岗岩的微观结构。以平行接触模型代替传统的光滑节理模型来刻画晶体边界,将平行接触模型分为3种类型:晶体内部接触、同种矿物内部的晶体边界接触以及不同种矿物的边界接触。应用单轴压缩试验和巴西劈裂试验对模型的微观参数进行校正,开展多组数值试验研究晶体尺寸分布系数影响下脆性花岗岩试样的动态损伤破裂演化过程,并基于Fish函数建立一套完整的裂隙监测系统以记录微裂缝的行为特点。研究结果表明:(1)晶体尺寸分布系数对破裂模式会产生影响,单轴压缩试验与劈裂试验中张拉裂纹均占据主导,随着花岗岩晶体尺寸的增大,单轴抗压强度(UCS)和抗拉强度(UTS)均呈现出增大趋势。(2)不同矿物晶界处的裂纹数量多于同种矿物晶界处的裂纹数量,随着平均晶体尺寸分布系数的增大,晶界处的裂纹数量逐渐减少,内部破裂数量相对增多。(3)微裂纹首先出现在第三级接触处,随后二级接触处发生断裂,最后一级接触裂纹数目迅速增大。(4)单轴压缩试验是由钾长石–石英边界为主的晶间破裂向钾长石–斜长石为主的晶内损伤转化的过程,直至宏观破坏的发生。     

岩石裂纹扩展过程的动态监测研究

利用实时全息干涉法、高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接的三位一体化测量系统，连续动态观测了单轴受压砂岩、花岗岩和压剪受荷砂岩试样裂纹扩展与变形破坏过程；基于动态干涉条纹的定量分析，描述了岩石微裂纹孕育起裂、扩展与闭合的动态交替演化过程，计算了岩石裂纹扩展速度与蠕变扩展速率和裂纹面的扩展变形量与蠕变变形量，实现了岩石内部Ⅰ型、Ⅰ—Ⅱ复合型、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹力学性状动态演变的有效判识。     

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。     

绿片岩各向异性蠕变特性试验研究

 为了解锦屏二级水电站引水隧洞绿片岩的各向异性流变力学特性,通过对层状脆性绿片岩试件进行单轴压缩蠕变试验,研究脆性层状岩石材料的各向异性蠕变规律。按层理面倾角大小共加工6个试件,分级加载均为4个应力水平,最大值与初始地应力接近。试验结果表明,绿片岩试件蠕变曲线存在瞬时应变、衰减蠕变和稳定蠕变,未出现加速蠕变阶段。根据试验结果得到瞬时弹性模量和稳定蠕变阶段的蠕变速率。分析表明,绿片岩试件的瞬时弹性模量随着应力水平的提高而提高,并趋于稳定,其中层理倾斜的试件瞬时弹性模量更高;蠕变速率随着应力水平的提高而提高,并随着层理面倾角的增大而增大,层理面倾角接近材料的破裂角时,试件的轴向蠕变速率最大。