深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。     

不同围压下茅口灰岩渐进性破坏的试验研究

利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下茅口灰岩三轴压缩试验,通过计算绘得相应裂隙体积应变图,分析得出裂纹起始应力、裂纹破坏应力。结果表明:随着围压的增大,应力门槛值均呈非线性增长态势,当围压超过17 MPa时,裂纹起始应力、裂纹破坏应力分别增加48.5%和20.1%,茅口灰岩延性开始增强;裂纹破坏应力为峰值强度的64%~75%,三轴压缩下茅口灰岩裂隙不稳定发展阶段较长;环向应变值随围压增大而增大,当轴力超过裂纹破坏应力进入裂隙不稳定发展阶段,环向应变增大2.7~3.2倍,用环向-轴向应力应变曲线图能较好的反映岩石应力门槛值。     

不同围压下灰岩力学特性及破坏力学模型研究

为了研究围压对灰岩力学特性及破坏力学模型的影响,采用MTS815对完整灰岩岩样进行三轴压缩试验。基于岩样宏观破坏形式,建立张拉剪切破坏模型,构建峰值强度与围压关系表达式;讨论张拉剪切模型与纯剪切模型对岩石剪切强度参数值（粘聚力与内摩擦角）的影响。研究结果表明：岩样弹性模量、抗压强度及残余强度均随围压升高而增大,且残余强度与围压呈非线性相关;当岩样最终破坏时,环向应变与轴向应变比值随围压升高呈负指数降低;一定围压范围内,岩石抗压强度受剪切强度参数和抗拉强度影响;张拉剪切模型确定岩石剪切强度参数值随破裂角增大而增大,与纯剪切模型相比,数值均较小。因此,低围压时,考虑岩石破坏模型具有一定的实际意义。     

弱胶结泥质软岩的三向压缩损伤特性

针对西部矿区弱胶结软岩在复杂应力状态下的损伤行为,采用三轴压缩试验和等效应变原理,得到泥岩在三轴压缩下损伤变量的演化规律.基于weibull分布,引入修正系数λ建立可考虑泥岩残余阶段变形的统计损伤本构模型.结果分析表明：在三轴压缩下损伤变量呈先减小后增大的变化趋势,损伤演化过程没有水平段,表明受压时泥岩没有实际意义上的线弹性阶段;损伤变量减增变化的转折点恰好为全应力-应变曲线的屈服点和残余阶段起始点,说明该类泥岩的破坏起始于屈服点;当围压<3 MPa时,损伤起始点随围压增大而后移,当围压>3 MPa时,损伤初始点有前移的趋势,高围压下泥岩的峰前塑性提高,产生整体塑性剪切破坏;本构模型能够较准确地描述泥岩破坏的三阶段.     

饱和花岗岩水-力耦合力学特性试验研究

采用全应力多场耦合三轴试验仪,对饱和花岗岩开展了不同加载速率、不同围压、不同孔压下的水-力耦合三轴压缩排水试验,分别给出了饱和花岗岩在不同加载速率、不同有效围压下的应力-应变曲线,分析了峰值强度、峰值应变、弹性模量随加载速率以及有效围压的变化规律。研究结果表明:(1)在不同有效围压和加载速率的条件下,岩样的应力应变曲线均经历了非线性压密、弹性、屈服、峰后四个阶段。偏压加载初期非线性压密阶段比较明显,而随着围压的升高非线性段逐渐消失;由于花岗岩的致密性较高,因而曲线的弹性阶段较长且相对平滑;在屈服和峰后阶段,岩石呈现出明显的脆—延性转化的过程。(2)饱和花岗岩的峰值强度随着加载速率的增加而增大;且当有效围压相同时,岩石的峰值强度大致相等,抵抗外界荷载的能力大致相同。(3)缓慢加载条件下饱和花岗岩的峰值应变表现出加载速率强化效应,但强化效果是有限的;且在有效围压相同条件下,随着围压和孔压的同步增长,峰值应变也呈增长的趋势。(4)弹性模量随着加载速率的增加呈二次多项式增长,但随着围压和孔压的同步增长而逐渐降低。     

循环加载下单节理砂岩三轴强度与变形试验研究

为了研究节理砂岩试样在循环加载下的变形演化规律和强度特性,开展了贯通单节理砂岩在不同围压下的单调加载和循环加载试验.结果表明:随着围压的增加,节理砂岩试样单调及循环加载下峰值强度增大;在三轴循环加载作用下,节理砂岩的弹性模量的演化经历了明显增大、急剧减小、峰后趋于稳定3个阶段;三轴单调及循环加载下节理砂岩试样主要发生剪切破坏;在较低的围压(5,15 MPa)下,循环加载导致的破坏程度比单调荷载导致的更严重,在较高的围压(25,35 MPa)下,单调和循环加载下的破坏模式相似.     

侧限压缩条件下充填体与岩柱相互作用机理

利用伺服实验机对不同配比充填体-岩柱进行侧限压缩实验,研究不同工况下岩柱的峰值强度、残余强度、峰值应变、破坏形式,以及充填体-岩柱的受压特性.结果表明:充填体-岩柱的承压过程主要分为岩柱试件承载阶段、岩柱试件的破坏阶段、充填体和岩柱共同承载直到破坏阶段、充填体和岩柱散体承压阶段.随着充填体强度的增大,岩柱的峰值强度、残余强度以及破坏时的轴向应变逐渐增大,同时岩柱的破坏形式逐渐由单轴压缩时的拉伸破坏向剪切破坏转化,而无充填体包裹的岩柱则主要发生单斜面剪切破坏.相比充填体-岩柱应力-应变曲线峰后的下降斜率,单岩柱破坏时表现出了更强的突变性.     

巴东组岩石加卸荷力学性质及卸荷本构模型

为揭示巴东组岩石在加卸荷条件下力学参数的劣化效应以及卸荷条件下的本构模型,开展巴东组第2段(b2)和第4段(b4)红层岩石的加卸荷试验,系统研究不同应力路径下不同岩石的力学性质.试验结果表明,轴向加载是岩石压缩条件下破坏的主要原因,而岩石在卸荷条件下破坏的主要原因是横向扩容.与b4岩石相比,同围压下b2岩石的强度更高,b2岩石随围压增大的延性特征以及低围压下岩石峰后多级破坏现象更明显.卸荷条件下,b2峰值强度对应的内聚力和内摩擦角分别是压缩条件下的96.8%和92.9%,b4分别为96.6%和60.7%.卸荷量可用来表征岩石在卸荷条件下变形参数的劣化性质,并适用于卸荷屈服段的本构关系研究;提出的能量降比参数能反映峰后应力跌落阶段特征,从而建立各个阶段的岩石卸荷损伤本构模型,通过试验验证其合理性.此外,基于能量降比参数提出了残余强度的计算公式.研究表明,建立的卸荷损伤本构模型曲线与试验曲线较为吻合,能反映卸荷条件下的岩石变形特征.     

粗砂岩变形破坏过程中的能量演化机制

对粗砂岩进行单轴试验测得其力学参数,然后采用颗粒流和fish程序获得粗砂岩的细观力学参数进行不同围压下的压缩试验,分析粗砂岩的变形和强度特性以及在变形破坏过程中的能量演化规律。获得主要结论:随着围压增加粗砂岩屈服阶段明显增加,峰值强度提高,峰后由明显软化逐渐向塑性流动过渡,表明随着围压增加粗砂岩脆性降低而延性提高,主应力表示的二次型强度准则比直线型更加贴近试验结果。粗砂岩在变形破坏过程中,弹性阶段吸收的能量主要以弹性应变能的形式存储,屈服阶段弹性应变能增速减缓而耗散能增速加快,围压越高峰值处对应的耗散能越大表明高围压下破坏时岩石内部损伤严重,峰后阶段弹性应变能在低围压下急剧减小而高围压下缓慢减小。弹性储能极限随围压增加呈现线性增大趋势,弹性应变能与岩石吸收总能量之比先减小而后趋于常值。     

循环加载强化作用对花岗岩细观破坏影响的离散元研究

基于室内单轴压缩试验结果,采用离散元方法建立等效晶质模型（GBM）. 根据室内循环加卸载试验结果改进GBM模型晶内、晶间接触模型,建立能够准确表征循环加载强化作用的GBM强化模型,借此GBM强化模型揭示循环加载强化作用对花岗岩单轴压缩过程细观破坏的影响机制. 结果表明,在峰前应力阶段,自锁效应造成的应力分布不同,导致晶内/晶间接触出现以张拉为主的裂纹,石英、长石依次成为承载主体;在峰后应力阶段,前期强化作用所积蓄的剪切能量得到释放,导致长石出现密集的晶内裂纹,是试块失稳的主要标志;长石周边矿物差异性失效引起长石矿物破坏路径改变,造成试块峰值应力随强化系数增大呈现波动性增长. 构建的GBM强化模型为研究循环加载强化作用对脆性岩石不同加载路径细观破坏机制提供新方法.     

Mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression

To study the mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression,we analyzed the stress strain curve characteristics,deformation and strength properties,and failure process and characteristics of sandstone samples under different stress states.The experimental results reveal that peak strength,residual strength,elasticity modulus and deformation modulus increase linearly with confining pressure,and failure models transform from fragile failure under low confining pressure to ductility failure under high confining pressure.Macroscopic failure forms of samples under uniaxial compression were split failure parallel to the axis of samples,while macroscopic failure forms under uniaxial compression were shear failure,the shear failure angle of which decreased linearly with confining pressure.There were significant volume dilatation properties in the loading process of sandstone under different confining pressures,and we analyzed the damage evolution properties of samples based on acoustic emission damage and volumetric dilatation damage,and established damage constitutive model,realizing the real-time quantitative evaluation of samples damage state in loading process.     

卸围压条件下砂岩变形破坏特性试验研究

从可释放弹性应变能角度对岩石卸围压条件下破坏特性进行研究,利用MTS815电液压伺服可控制刚性试验机进行保持轴向变形不变的卸围压试验,根据卸围压试验数据,分析了该砂岩卸围压过程中变形、强度、弹性模量及能量变化特征。结果表明:随着围压逐渐降低,岩样发生侧向不断扩容;轴向应力逐渐降低,呈现出非线性特征;弹性模量在初始阶段几乎不变化,越过破坏点之后大幅降低;可释放的弹性应变能在初始阶段增大比较缓慢,当围压降低至一定程度时急剧增大;推导出基于可释放弹性应变能的卸荷岩石的整体破坏准则Ue0。     

Effect of Relative Stress on Post-Peak Uniaxial Compression Fracture Energy of Concrete

1　IntroductionItisrealizedthatthelinearelasticfracturemechan icsisnownotapplicabletofractureinordinaryconcretestructures .Todescribethesofteningbehaviorofconcrete ,differentmodelsbasedonnon linearfracturemechanicalideaswereproposed ,suchasthefictitiouscrackmodel[1](FCM )byHillerborgetal.(1976 ) ,thecrackbandmodel[2 ] byBazant (1983) ,andthetwo parameterfrac turemodel[3 ] byJenqandShah (1985 ) .ThedifficultywithFCMliesindeterminingtheval uesofthethreeparametersbyexperiments .Toobtaintheval…     

孔隙压力对岩样全部变形特征的影响

目的 研究了孔隙压力对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响．方法 利用FLAC内嵌语言编制的FISH函数计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比．在峰前及峰后，岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型．结果 随着孔隙压力的增加，岩样的破坏区域越来越广泛；剪切带倾角都接近于Arthur倾角；峰值强度及所对应的轴向、体积应变及侧向应变的大小均降低．当孔隙压力较低时，峰后应力-轴向应变曲线及应力-侧向应变曲线软化段斜率基本保持不变，根据单轴压缩条件下的解析解，这是由于岩样的破坏模式不随孔隙压力的增加而改变．结论当孔隙压力较高时，大量的单元发生破坏将消耗较多的能量，这使应力-轴向应变及侧向应变曲线软化段变平缓；岩样在轴向应变较低时就可获得较高的侧向变形量及泊松比，甚至负的体积应变．岩样失稳破坏的前兆的明显程度不随孔隙压力的改变而改变．     

三维岩样单轴压缩端面效应及破坏数值模拟

采用三维拉格朗日元法，对三维岩样在单轴压缩及不同端面约束条件下，试样端面上压应力的分布及演化规律、试样的破坏过程及空间局部化区域的形态进行数值模拟研究。在峰值强度之前及之后，岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。数值结果表明，对于粗糙端面，由于强烈的端面约束，试样的弹性区是以两端面为底面的锥体；锥体一旦形成，随着时间步的增加，其体积基本保持不变；压应力集中于端面的四个边上。对于光滑端面，弹性区被塑性区所包围，随着时间步的增加，弹性区逐渐缩小，直到消失；压应力集中于端面的中心。在平面应力状态下，未观测到明显的局部化剪切带图案。无论粗糙还是光滑端面，三维岩样都发生了明显的剪切破坏。三维岩样内部的剪切应变局部化带有主有次，占主导地位的剪切带尺寸较大，应变率集中程度较大。     

剪胀对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言FISH编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数，研究了剪切扩容对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后，岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。分析表明，增加剪胀角使岩样由单一向共轭剪切破坏转变，并使接近Arthur倾角的剪切带倾角增加。剪切带宽度随剪胀角增加，可由基于梯度塑性理论且考虑剪胀后的剪切带宽度公式进行解释。剪胀角增加导致峰值强度及对应的轴向、侧向及体积应变增加。在峰后，由于剪胀引起剪切带条数及宽度增加，因而，轴向应力-轴向及侧向应变曲线软化段都变平缓。剪胀角较高时，岩样可获得更大的侧向变形量及泊松比，甚至是负的体积应变；岩样失稳破坏的前兆更加明显。     

软岩S形应力-应变曲线的数值模拟

针对软岩在荷载作用下的变形特征,结合三轴试验提出了软岩四参数本构方程。从数学理论上严格证明了该方程描述的应力-应变曲线的S形特征。该模型的四个参数中,峰值应力及其相应应变可由试验直接获得,另两个参数则需通过优化反演方法获得。在此基础上建立了四个参数与围压的经验关系式,从而可对不同围压作用下的软岩应力-应变曲线进行估算。数值模拟表明该模型能够有效模拟软岩应力-应变曲线的S形特征,能够反映软岩强度与弹性模量随围压增大的特点。     

Dynamic analysis of fault rockburst based on gradient-dependent plasticity and energy criterion

Fault rockburst is treated as a strain localization problem under dynamic loading condition considering strain gradient and strain rate. As a kind of dynamic fracture phenomena, rockburst has characteristics of strain localization, which is considered as a one-dimensional shear problem subjected to normal compressive stress and tangential shear stress. The constitutive relation of rock material is bilinear (elastic and strain softening) and sensitive to shear strain rate. The solutions proposed based on gradientdependent plasticity show that intense plastic strain is concentrated in fault band and the thickness of the band depends on the characteristic length of rock material. The post-peak stiffness of the fault band was determined according to the constitutive parameters of rock material and shear strain rate. Fault band undergoing strain softening and elastic rock mass outside the band constitute a system and the instability criterion of the system was proposed based on energy theory. The criterion depends on the constitutive relation of rock material, the structural size and the strain rate. The static result regardless of the strain rate is the special case of the present analytical solution. High strain rate can lead to instability of the system.