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。     

基于非线性动态强度准则的岩石动态变形过程统计损伤模拟方法

 岩石动态应变率对岩石动态变形过程具有极其重要的影响,因此,首先考虑岩石动态应变率对岩石强度的非线性影响特点,通过对现有岩石动态强度准则进行改进,建立反映应变率影响的非线性岩石动态强度准则,为岩石动态变形过程模拟方法研究奠定了坚实的基础;然后,采用本文非线性动态强度准则,在重点探讨考虑应变率影响的岩石微元强度度量方法基础上,引入统计损伤理论建立岩石动态统计损伤本构模型,并提出基于岩石动三轴试验曲线的模型参数确定方法,进而建立岩石动态变形过程模拟方法。它不仅能反映应力状态而且能反映应变率对岩石变形过程的影响;最后,通过与现有同类模型理论曲线以及相应试验曲线的比较分析,表明了提出模型与方法的合理性与优越性。     

岩石黏弹塑性损伤蠕变模型研究

岩石蠕变力学采用在经典元件模型基础上引入非线性元件和蠕变损伤的方法,来解决经典元件模型不能描述岩石整个蠕变过程中的非线性特征问题。首先分析这类方法在模型参数辨识、损伤蠕变方程建立和屈服条件选择等方面的不严谨之处,然后根据非线性流变理论以及损伤理论采用和构建弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏塑性体,并将四者串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、黏性应变和非线性黏塑性应变的损伤蠕变模型。推导岩石在恒应力情况下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到损伤蠕变方程,结合蠕变曲线特征给出简单可行的模型参数辨识方法。最后采用砂岩分级加载单、三轴压缩蠕变试验曲线与理论曲线和预测曲线进行对比来验证模型的适用性。结果表明两者吻合程度较高,黏弹塑性损伤蠕变模型不仅可以精确反映衰减、等速阶段蠕变曲线的非线性特征,而且能够描述岩石在高应力状态下的加速蠕变特征,其适用性得到验证。     

向家坝水电站坝基挤压带岩石三轴蠕变试验及非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 基于岩石常规三轴蠕变试验成果,研究向家坝水电站坝基挤压破碎带砂岩蠕变力学特性,分析岩石轴向和侧向蠕变规律。在低应力水平下,岩石仅发生衰减蠕变和稳态蠕变,而且稳态蠕变阶段的应变速率为非零常数,蠕变量不可忽视,岩石变形满足Burgers蠕变模型。当应力达到一定水平时,岩石经过衰减蠕变和稳态蠕变之后发生加速蠕变破坏。不同围压下蠕变破坏特征不同,尤其是加速蠕变启动时间的差别较大,据此提出加速蠕变启动元件。通过将加速蠕变启动元件与Burgers模型串联,建立一个新的岩石六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并从理论上对其蠕变力学特性进行讨论。推导三维应力状态下的岩石蠕变本构模型公式,研究蠕变参数辨识方法。通过与试验曲线的比较,显示所建非线性蠕变模型的正确性与合理性。     

塑弹塑性岩石的非线性损伤模型研究

通过分析岩石常规三轴试验应力应变曲线,发现某类岩石在峰前具有明显的压密阶段,表明该类岩石具有塑弹塑性材料的特征。基于塑弹塑性材料非线性应力应变曲线,引入非线性指标,并考虑损伤门槛值,应用统计损伤理论,提出具有塑弹塑性特征的岩石非线性损伤模型。该模型不仅能反映岩石应变硬化软化特性,而且能够刻画压密区的特性,更为准确地表征了该类岩石应力应变的非线性关系。采用辉绿岩试验数据对本文模型进行验证,结果表明,试验曲线与理论曲线吻合较好,从而验证了模型的合理性和适用性。采用峰前具有明显线弹性变形特征的岩石常规三轴试验数据进一步分析,结果显示,模型通过峰后引入非线性指标同样可以反映岩石应变软化特性。     

致密砂岩Johnson-Holmquist损伤本构模型参数求取及验证

Johnson-Holmquist(J-H)本构模型被普遍用于研究岩石动态破坏过程,但由于包含参数较多,确定参数需要大量试验,J-H本构模型描述岩石类的动态力学性质缺乏准确可信的模型参数。为此开展致密砂岩的三轴静态和三轴动态岩石力学试验,依据试验结果探讨J-H损伤本构模型参数求取方法,给出四川须家河组致密砂岩J-H本构模型参数及取值范围,利用所取参数及AUTODYN软件模拟不同围压下致密砂岩的split Hopkinson pressure bar(SHPB)试验过程,结果显示,试验和数值模拟的应力波曲线吻合较好,模拟得到的动态应力–应变曲线与试验结果的平均误差为14.31%,验证了模型参数的准确性。     

挠曲核部破碎带岩石力学特性的试验研究

立煤湾膝状挠曲核部破碎带横穿向家坝水电站大坝坝基,破碎带的岩石由于完整性差,孔隙率大,含水率较高,会对坝基的变形和稳定性产生影响。通过研究破碎带岩石的物理和力学特性,发现破碎带岩石的碎裂岩、碎屑岩在三轴压缩条件下呈现非线性的应力应变关系,强度低、变形大,且没有明显的强度峰值,最终因变形过大而破坏;试验过程中,还发现随着岩石的屈服和变形的发展,出现明显的体积膨胀。并且通过破碎带岩石的流变力学试验,发现岩石流变特征明显,偏应力对流变速率有较大影响。最后根据常规三轴试验的应力应变关系建立了基于双曲线模型的改进Burgers模型,并对其参数进行辨识。     

巷道/隧道围岩非线性流变数学力学模型及其初步应用

研制了三轴巷道／隧道围岩流变试验台，并进行了多年的试验观测。从岩石长期强度的衰减特征和岩石的应变能守恒原则出发，建立了非弹塑粘性元件组合模型的岩石非线性流变数学力学模型，在此基础上建立了巷道／隧道围岩非线性流变数学力学模型。应用线性莫尔强度理论将单轴应力极限转换为三轴应力极限，从而由所测的单轴全应力一应变曲线参数来求围岩三轴应变。依据该模型计算的巷道围岩流变值与试验值拟合较好，该模型在预测巷道破坏圈方面得到初步的成功应用。     

一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构模型

阐述一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构模型研究的意义。采用组合模型研究方法,将岩石单元看成一个弹性元件和一个黏性元件串联后与损伤体Da1并联,最后与损伤体Da2串联,构成岩石单元组合体力学模型,推出一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构方程。针对建立的本构模型,设计矽卡岩、蛇纹岩在一维高应力及重复冲击共同作用下的岩石力学试验,试验结果得出,峰值应力前动态应力–应变曲线变化的趋势一致,没有压密阶段,仅有弹性阶段、非线性变形阶段,峰值应力后出现回弹、不回弹2种现象。借助试验结果对建立的本构模型进行验证,结果表明建立的本构方程的拟合曲线和试验曲线具有很好的一致性。     

循环荷载作用下花岗岩疲劳力学性质及其本构模型

 循环荷载作用下岩石力学性质研究对完善岩石力学基本理论和指导相关工程建设具有重要意义。通过花岗岩三轴循环荷载试验,系统研究花岗岩疲劳力学特性,提出花岗岩疲劳力学模型。研究结果表明：(1) 岩石残余应变和变形模量与循环次数之间关系与岩石体积变形状态相关;(2) 在应力–应变全空间内,花岗岩疲劳性质分为3个区域,不同区域内微观机制不同;(3) 岩石疲劳破坏门槛值应为剪缩和剪胀区域分界点对应的峰值偏应力;(4) 循环荷载作用下岩石疲劳势有别于单调加载时塑性势,循环荷载作用下岩石表现出比单调加载时更强的抵抗体积变形能力;(5) 提出基于内变量理论的岩石疲劳本构模型,试验数据与模拟预测对比显示模型较好地反映出岩石疲劳力学性质。     

适用于节理岩体的新型黏弹塑性模型研究

在分析岩体变形特点和常用流变模型变形特性的基础上,提出与应力状态和时间相关的非线性黏性体。非线性黏性体在应力小于其极限值时,变形随时间增长而趋于稳定,当应力大于其极限值时,变形将随时间增长而急剧增大。将非线性黏性体引入传统Maxwell模型中,由改进的Maxwell模型与传统Kelvin模型和St.Venant塑性体串联得到新型五元件黏弹塑性模型。在五元件黏弹塑性模型中,改进Maxwell体中的弹性体和非线性黏性体分别模拟瞬时弹性变形和黏性流动变形,Kelvin体和St.Venant体分别模拟延滞回复和瞬时塑性变形。理论分析和试验验证表明,五元件黏弹塑性模型可以较全面地反映岩体变形特征,并可以反映岩体在低应力状态下流变趋于稳定、而应力水平超过其极限值后出现加速流变而破坏的流变规律。     

动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析

阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。分析认为，岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关，而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的，且反映静水胜力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响，并以机械模型为基础，求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。同时，根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型，建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型，进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。最后，采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服摔制材料试验机卜进行了红砂岩中心变率下的动静组合加载破坏试验，对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。结果表明，理论模型与试验结果有较好的一致性。     

考虑结构面特性的层状岩体复合材料模型与应用研究

 层状岩体由于存在着定向结构面导致其破坏机制和变形行为与一般岩体相比,存在着显著的差异。为此,先通过独立考虑基岩和结构面的物理力学特性,提出层状岩体复合材料硬化–软化模型,以便用来描述这类岩体在强度和变形方面的各向异性以及渐进破裂(或滑移)特征。然后,采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,从而实现非线性数值计算功能。通过与经典理论解和已有模型数值解进行对比,以及对单轴和三轴压缩试验的数值模拟,表明该模型在描述上述这些特征方面是合适的。同时,这些压缩试验的数值模拟结果给出不同围压和倾角情况下层状岩体的力学响应特征,并初步探讨这类岩体的破裂(滑移)机制。最后,将该模型应用于典型边坡工程和洞室工程中,所得结果可以较好地解释工程现场的变形破坏现象,且与工程实践基本相符,验证该模型在工程应用方面的可行性。     

基于变形监测资料的混凝土坝时变参数优化反演

基于变形监测资料建立混凝土坝与基岩时变参数反演三步法：首先利用监控模型分离出的水压分量反演大坝和基岩的弹性模量;然后利用分离出的时效分量趋近值反演黏性元件的弹性参数;最后利用时效分量的过程值反演黏性元件的黏滞系数。以龙羊峡重力拱坝为例,应用上述方法,反演参数较敏感的时变参数,从力学机制上解析龙羊峡重力拱坝拱冠梁在2 530～2 610 m高程的径向时效位移向上游变位的原因。其原因是坝体和基岩黏滞系数较大,坝体自重引起向上游变位的时效变形需要较长时间才能稳定;另外,龙羊峡水库长期低水位运行也是原因之一。     

考虑空隙压密阶段特征的岩石应变软化统计损伤模拟方法

为建立能很好地反映岩石变形破坏全过程模拟方法,针对现有岩石统计损伤本构模型难以反映初始压密阶段变形非线性的局限性与不足,首先,在充分探讨空隙岩石变形机理基础上,采用宏观与微观相结合的分析方法,将空隙岩石抽象为岩石骨架和空隙两部分组成,建立空隙岩石变形分析模型;然后,在探讨空隙部分变形机理基础上,考虑空隙压密引起变形的不可恢复性特征,建立空隙部分变形分析方法,同时,引入统计损伤理论,建立岩石骨架变形分析方法,进而建立模拟空隙岩石变形破坏全过程的统计损伤本构模型,并给出了其参数确定方法。该模型不仅能反映空隙岩石的应变软化特征,而且,还能较好地反映空隙岩石在初始压密阶段的变形非线性特点。最后,通过试验曲线、本文及现有同类模型理论分析曲线的比较,表明了该模型与方法的合理性与优越性。     

基于残余强度变形阶段特征的岩石变形全过程统计损伤模拟方法

岩石应变软化变形破坏全过程模拟是岩石力学研究的重要内容。首先在分析岩石应变软化变形全过程不同阶段变形特征基础上,针对现有岩石损伤模型难以反映岩石破坏后仍具残余强度特性的不足,假设受载岩石可抽象为损伤和未损伤两部分材料组成,其所受轴向荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力为残余强度,建立出可反映岩石破坏后仍具残余强度特征的新型损伤模型;其次,引进统计损伤理论,在探讨岩石微元强度合理度量方法的基础上,考虑岩石损伤阀值的影响,建立可反映岩石变形全过程特征的岩石统计损伤演化模型;然后,利用上述岩石损伤模型和损伤演化模型建立出可模拟岩石应变软化变形全过程的损伤统计本构模型,并建立其模型参数确定方法,该模型能较好地反映岩石峰后残余强度阶段变形特征;最后,通过实例分析与讨论,并与其他同类模型分析结果进行比较分析,表明本文模型与方法的合理性与优越性。     

长期交通荷载作用下路基沉降的实用计算方法

目前尚没有方法能很好地预测长期不规则交通荷载引起的路基沉降变形。土在长周次微小振幅荷载作用下产生塑性变形的机理尚不清楚,现有弹塑性理论也很难描述这种变形。基于等价黏弹塑性模型的理论,提出了一个实用的预测长期交通荷载作用下路基沉降的计算方法。等价黏弹塑性模型由两部分组成:一部分为黏弹性模型,用于计算地基的动力响应,采用了Ramberg–Osgood动剪切模量公式和Hardin-Drnevich阻尼比公式;另一部分为计算残余应变的经验公式。根据动三轴试验所揭示的无黏性土在长周次循环荷载作用下的变形特点,以及移动荷载作用下路基土单元动应力过程的特点,建立了本模型中计算残余应变的经验公式。在得到各单元的残余应变后,可结合有限元方法计算得到路基的沉降。     

浅埋软岩隧道开挖围岩变形非线性模拟分析

由于隧道施工过程和开挖顺序的不同都会引起各自不同的应力和应变的非线性历程,最终导致不同的力学效应,特别是软弱围岩隧道,其力学效应表现的更加显著.结合沿海地区软弱围岩浅埋暗挖矩形隧道施工,使用有限差分软件（FLAC）对分部开挖进行非线性数值模拟,研究矩形隧道软弱围岩在开挖过程中大变形的机理.分析结果表明,围岩和初期支护的应力应变是非线性不可逆过程,其开挖方案应采用软弱围岩非线形大变形力学设计方法,以确保开挖施工安全.     

大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏研究

在应变空间内,推导出弹塑性损伤增量本构方程,通过自编程序实现该本构方程,同时将此程序实现了并行算法;建立了三点弯曲梁二维及三维细观尺度数值试样,分别进行相应地弹塑性损伤破坏数值模拟,作了相应的对比分析,在数值模拟中,提出破坏单元网格消去法,模拟裂纹扩展。研究发现:数值试验同物理试验较吻合,且与理论分析是一致的;由于三维试样细观单元的非线性比二维在空间上更为离散,由三维细观单元弹塑性损伤非线性反映宏观试样的非线性,更能深入地研究细观破坏机理;提出的破坏单元网格消去法为有限元清晰模拟裂纹开辟了新的途径;并行算法程序的实现为应用于大型三维水利水电工程奠定了基础。