高温岩石热损伤力学性能研究进展

为了深入了解高温岩石在热损伤作用下的物理力学特性，以及对地热资源开发、高温引水隧洞施工、超深钻探、矿体开发等岩石工程的安全与稳定性做出合理评价，通过分析国内外文献，系统综述了岩石在受高温作用下的损伤情况及物理力学性能方面的研究进展与成果；介绍了高温作用下岩石的破坏机理与其物理力学特性；侧重总结了岩石热冲击作用下物理力学参量的演化规律；重点分析了高温岩石结构破裂机理；总结了国内外有关热-力耦合模型以及数值分析的方法；指出当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性，并从工程角度方面展望了未来的发展方向；系统分析了温度作用下岩石热损伤的演化规律。     

基于声发射和DIC特征的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石的力学损伤特性，以深部致密储层砂岩及泥岩为研究对象，通过相似材料模型试验制备层状复合类岩石，开展单轴压缩试验并辅以声发射系统及数字图像修正(DIC)系统全过程监测，得到层状复合岩石的强度及弹性模量等物理力学参数。研究声发射振铃计数与岩石损伤演化过程对应规律，将单轴压缩下层状复合岩石损伤过程划分为初始损伤、损伤稳定发展及损伤加速三个阶段。以声发射内部损伤演化特征及DIC表面损伤演化特性为基础，建立了基于双损伤因子表征的层状复合岩石损伤本构模型。结果表明：3类岩石中，A类岩石的强度及弹性模量分别高于B类岩石21%和24%,AB类层状复合岩石的强度及弹性模量则低于B类岩石3%和4%。A类岩石以拉伸破坏为主，B类岩石多呈单斜面剪切破坏，AB类复合岩石主要沿胶结层理面或强度较弱部分产生拉伸-剪切滑移型破坏。三类岩石加载初期声发射活动较弱，在峰值应力时信号值达到最大。文中提出的模型合理地揭示了单轴压缩下层状复合岩石内部结构发展与外部裂纹萌发、扩展与贯通的损伤演化机理。     

基于NGA模型的主余震序列作用下重力坝损伤破坏研究

传统的线弹性模型和弹塑性DP模型难以真实反映混凝土、岩石地基在遭遇超出其抗拉压强度时的损伤破坏规律。为更加全面地评估余震作用对已损重力坝结构的累积破坏影响,本文采用塑性损伤力学模型来模拟坝体的动力损伤,同时考虑岩石材料的非线性性质,将塑性损伤力学的方法推广到岩体材料,建立了大坝坝体与地基的整体损伤力学模型,实现了重力坝整体动态损伤演化全过程模拟。结合主震与强余震统计关系和NGA地震动衰减关系构造了主余震地震动序列,分别研究了单次主震、单次余震以及主震后余震对强震区混凝土重力坝坝体地基整体损伤演化的影响。研究结果表明:余震作用对坝基的塑性应变累积效应显著,对于主震受损的混凝土重力坝结构,余震作用能够引起结构较大的二次残余变形。     

强震作用下肋拱式渡槽动力响应及损伤破坏机理研究

为探究强地震作用下肋拱式渡槽结构的损伤破坏演化过程，以长岗坡渡槽为例，建立肋拱式渡槽结构三维非线性有限元模型，采用黏弹性人工边界方法来实现无限域地基的精准模拟，引入混凝土塑性损伤本构模型，开展不同地震强度作用下肋拱式渡槽结构的动力响应分析及损伤破坏模式的研究。研究结果表明：渡槽结构的动力响应随地震强度增大而增大；地震作用下，基于塑性损伤本构模型，通过模拟得到渡槽结构的峰值位移、峰值加速度响应均较线弹性本构模型模拟结果大，主要是因地震波的持续作用使结构出现塑性损伤，致使刚度退化；反之，峰值应力较线弹性模型结果小，主要是因结构出现的塑性损伤会导致结构阻尼增大，耗散能增大。渡槽整体结构损伤严重的部位为顺槽向靠近支墩位置的槽体、跨中肋柱以及支墩、肋拱、肋柱交界处，明晰了槽体、小腹拱、支墩等构件的损伤演化破坏演化过程，揭示了其主要是由结构受力不均而引发的混凝土受拉损伤破坏的损伤破坏机制。研究成果明晰了渡槽结构的抗震薄弱部位，可为类似渡槽结构的抗震设计及加固处理提供理论基础。     

考虑裂纹闭合效应的岩石损伤力学模型及耗散能量分析

针对现有岩石损伤力学模型的局限性,考虑裂纹闭合效应,并引入统计损伤理论,同时提出分布参数确定的方法,建立新型岩石损伤力学模型。该模型更加符合岩石的变形破坏规律,还可以反映岩石的残余强度和延性特征,应用范围更广;与试验结果及前人成果对比,表明模型更为合理可行。不同围压下岩样的损伤变量演化曲线都遵循S型曲线,并可以依据S型曲线对岩石的变形破坏阶段进行划分。裂纹闭合系数(h)对损伤耗能率有较大影响,随着h的减小,损伤耗能率增大,当h达到一定值,岩石破坏阶段对应的损伤耗能率陡增。因此,岩石的变形破坏不仅与其应力状态有关,还与岩石的损伤演化积累以及裂纹闭合效应有关。     

单轴压缩岩石蠕变损伤扩展细观机理CT实时试验

采用作者研制的CT(computerized tomography)机专用三轴加载试验设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石蠕变细观损伤演化CT实时试验。得到了岩石蠕变损伤演化全过程中从裂纹萌生、伸长、增宽、分叉、断裂到破坏等各个阶段清晰的CT图象。从CT数和CT图象的变化规律出发，对岩石蠕变损伤三阶段的扩展细观机制进行了分析，完成了裂纹宽度、长度随时间发展的变化规律的定量研究，给出了岩石蠕变细观损伤演化的初步规律。建议用CT数下降速度的概念来判断岩石蠕变损伤第3阶段的门槛值。试验结果表明，单轴压缩岩石蠕变CT试验的结果令人满意，CT机专用三轴加载设备的研制是成功的，这为岩石蠕变细观试验提供了一个创新的试验手段。     

基于应变屈服临界的岩石黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究岩石的非线性加速蠕变特性, 依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征,划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态,并给出了相应状态的蠕变力学特性。假定岩石在三轴压缩试验条件下,发生延性剪切破坏,推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式。基于Perzyna黏塑理论,考虑后继屈服硬化作用,引入统计损伤因子,构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型;采用岩石全自动伺服三轴蠕变试验机对三峡库区典型砂岩试样开展了蠕变试验,得到了岩石试样在不同应力水平作用下的蠕变变形曲线。结果表明:蠕变试验中,岩样力学性质的时效特征显著,在最后一级应力水平作用下发生了非线性加速蠕变现象。基于提出的黏弹塑性蠕变模型对试验曲线进行拟合,拟合结果说明模型能够较好地反映砂岩蠕变3个阶段变形的规律特征,拟合效果较好。     

基于损伤的渗流-应力耦合模型在工程地下水迁移研究中的应用

研究岩石破坏过程中的损伤演化规律以及与之相伴而生的渗透性变化规律,采用应变主轴、损伤主轴和附加渗透主轴一致的原则,建立了基于应变-损伤-附加渗透性、反映岩石强度变化非线性特征的损伤演化模型。该模型使得耦合计算过程物理意义清晰明了,并准确表达了耦合过程的非线性关系。     

考虑时效损伤的岩石分数阶蠕变本构模型

为准确描述岩石蠕变变形破坏全过程,引入连续损伤和分数阶微积分理论建立全面、简练的蠕变本构模型。首先基于弹性模量随时间衰减规律,根据能量损伤的方式定义损伤变量,构建考虑时效损伤的弹性体,并验证该损伤演化方式的可行性。采用Riemann-Liouville型分数阶微积分算子理论,构建具有非线性特征的分数阶软体元件,利用该软体元件作为分数阶黏滞体描述岩石黏弹性应变,在该软体元件的基础上进行损伤演化,得到考虑时效损伤的分数阶黏塑性体。联合分数阶黏滞体、考虑时效损伤的弹性体和分数阶黏塑性体,建立一个新的考虑时效损伤的分数阶蠕变本构模型。给出参数解析方法,利用泥质板岩蠕变数据验证模型合理性和优越性。分析损伤发展过程,判断模型参数敏感度,并通过红砂岩、千枚岩单轴压缩各向异性蠕变特性试验研究蠕变试验数据验证模型适用性。研究成果为岩石蠕变全过程辨识及岩体工程长期稳定性研究提供一定参考。     

基于应变率损伤本构模型的围岩分区破裂化现象数值模拟

为了探究深部巷道围岩的分区破裂化现象,利用ANSYS/LS-DYNA软件数值模拟,使用Cowper-Symonds本构模型结合GISSMO模型,将巷道的开挖视为动力过程。从岩石的细观角度出发,考虑岩石的应变率效应以及损伤对岩石的力学性质的影响,构建应变率损伤本构模型。同时结合应力三轴度,以更全面地描述岩石在各种应力条件下的力学特性,并基于最大应变和最大拉应力准则建立单元破坏准则。对岩石进行单轴压缩数值、掘进开挖法模拟及实际观测的结果表明:岩石单轴压缩全应力-应变曲线拟合效果较好;掘进开挖速率对分区破裂化现象有影响;掘进开挖法的分区破裂化模拟结果与实际观测数据具有一定的一致性。提出的模型对于围岩分区破裂化现场的模拟及预测有一定的参考意义。     

混凝土破裂过程三维数值模拟及CT验证

将混凝土简化成由骨料、水泥砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料，建立了混凝土骨料随机分布三维模型，用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分，基于弹性损伤本构关系采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算，并从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟的破坏过程与CT试验结果，发现试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT观测到的过程具有相似性，说明用本文建立的三维数值模型模拟混凝土材料的损伤破坏过程是基本可行的。     

三峡库区高陡岸坡溃屈失稳机理及防治研究

本文对三峡工程蓄水运行期间岩体损伤劣化导致高陡岸坡失稳机理进行了研究.三峡峡谷地段岩体具有上硬下弱的二元易滑地质结构,位于水库消落区的相对脆弱岩体易于出现损伤劣化并导致强度下降.在现场调查及监测基础上,本文建立了水位下降干燥状态、水位上升饱和状态及过渡状态下消落区劣化岩体的损伤本构模型,提出了采用水位周期涨落后劣化带的...     

损伤模型在界面元方法中的应用

界面元方法只需考虑界面上的正应力和剪应力，因此通常采用低抗拉的Mohr-Coulomb屈服准则。考虑到Mohr-Coulomb准则不能模拟材料的破坏过程，故本文在界面材料的本构关系中引入了损伤变量，利用标量形式的等效应变衡量材料的受损程度，因而可以有效地模拟材料损伤后应力逐渐减小的过程。与最大拉应力准则相比，损伤方法更能体现材料屈服后实际承载力的弱化过程。数值算例结果与试验结果吻合，证实了本方法在数值模拟方面的正确性。以拱坝作为工程算例，计算变容重加载时坝体损伤变化趋势，并与地质力学模型试验结果加以对比，研究其损伤演化和破坏过程。     

水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的破坏效应

在相同炸药量下水下爆炸对混凝土重力坝的破坏效应强于空中爆炸,因此需重点关注水下爆炸冲击下的混凝土重力坝的毁伤机理。考虑爆炸作用下混凝土的高应变率效应、冲击波与结构的动态相互作用以及结构的非线性动态响应等复杂问题,基于Lagrangian-Eulerian全耦合方法建立水下爆炸混凝土重力坝耦合模型,对近坝水下爆炸冲击波传播特性进行分析,得到了水下爆炸冲击下混凝土重力坝的毁伤破坏过程及毁伤机理。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的毁伤模式主要有爆炸成坑破坏、气穴冲切破坏、震塌拉伸破坏、冲击波冲切破坏、弯曲破坏和整体拉伸破坏。     

边坡及挡土墙变形局部化分析

本文将局部和非局部软化损伤线性结合在一起表示非局部软化损伤内变量，给出变形体边界上积分点非局部内变量的复合映射方式。用非局部连续莫尔-库仑模型和次塑性模型(Hypoplasticity)，分别对边坡和挡土墙的变形局部化破坏过程进行了模拟分析。二维、三维有限元计算结果表明，本文采用的软化损伤内变量非局部方式和非局部边界的处理是行之有效的，反映材料微观性态的特征尺度以统计平均的方式表达，在材料本构关系中加以体现，所得计算结果对有限元网格的划分具有不敏感性，因而用非局部连续模型模拟土工建筑物的变形破坏过程具有可行性。     

基于损伤演化的半均质砂岩本构模型研究

为了对受载岩体破坏过程的损伤演化规律进行探究,利用三轴试验仪对半均质砂岩进行三轴压缩试验,并布置声发射(AE)监测仪,对砂岩变形破坏全过程进行试验研究。分析了不同围压下砂岩三轴压缩各阶段的声发射特征,提出了基于AE事件点数的损伤变量,分别假设损伤演化方程服从韦伯分布和对数正态概率分布,建立了以AE事件点数为损伤变量的损伤演化模型,并引入修正系数对损伤变量D进行修正。结果表明围压越大,声发射活动越弱,围压能够抑制试样内部裂纹的产生和发展,增大试样强度,从而延缓其宏观破坏时间;砂岩的损伤发展主要经过4个阶段,即初始损伤阶段、损伤稳定发展、损伤加速阶段和破坏后损伤阶段。通过对韦伯分布和对数正态分布建立的声发射损伤模型进行比较,发现对数正态分布更适用于描述半均质砂岩的声发射现象。     

碾压混凝土的正交异性损伤本构模型研究

根据碾压混凝土拱坝的结构特性与碾压混凝土材料的破坏特征，以Sidoroff各向异性损伤理论为基础，建立了碾压混凝土正交异性损伤本构模型；基于正交异性损伤模型的损伤传递方式，导出了碾压混凝土材料的损伤演化方程。以碾压混凝土在复杂应力下的试验资料，对碾压混凝土正交异性损伤本构模型进行了验证。     

非线性模糊随机损伤研究

从损伤形成的宏、微观机理出发揭示了损伤演化的模糊性和随机特征并提出了损伤泛函成立于模糊、随机双层数学覆盖之下进而构建了研究广义损伤泛函的广义非确定空间。提出了非线性损伤发展所依据的初始应力场；基于三种典型模糊损伤分布：降半分布、秋千分布、组合秋千分布提出了平面应变下服从随机分布的各向异性初始模糊随机损伤场及其广义FPDF(Fuzzy Probabilistic Density Function)、FCDF(Fuzzy Cumulative Distribution Function)数学模型，并基于初始模糊随机损伤有效张量给出粘-弹-塑性初始损伤应力场的模糊随机数值模型。提出并构造了损伤矢量临界值算法并基于此推导了平面应变条件下的损伤有效张量及模糊随机有效弹性矩阵族；由损伤材料粘-弹-塑性应变率演化通式提出了基于修正Mohr-Coulomb损伤破坏准则的粘-弹-塑性模糊随机损伤本构模型。基于指数型损伤发展方程推导了粘-弹-塑性模糊随机损伤变化率方程并构造了对应随机数字特征算法模型。就土方开挖的损伤增益特征提出了基于阶段取土过程的开挖破损及回弹扰动随机矢量算法并借助凝聚损伤荷载矢量提出并构造了基于模糊衰减模型的模糊随机损伤增量方程及其随机数字特征，实现了对粘-弹-塑性模糊随机损伤增量方程卸载模型的全面阐述。考虑场内参数的空间离散及随机变异特征借助本文提出的非线性模糊随机损伤力学模型就某典型基坑工程开挖进阶过程中的损伤演变及广义可靠性进行了深入探讨，过程揭示了模糊随机损伤模型可以根据场内结构及材料强度耗散情况随时对损伤分布做出调整，以充分反映材料细观粒子间的凝聚或断裂造成的岩土结构宏观方面硬化-屈服-破坏-重分布-愈合等复杂力学性征，得到的规律性认识对于实现岩土工程全面化、精确化分析研究有重要意义。     

基于二维逾渗相变重整化群的混凝土重力坝断面破坏评价

针对混凝土重力坝失效路径具有方向性,可认为类似于渗流通道的特性,提出基于二维逾渗相变重整化群的混凝土重力坝断面破坏评价方法。在传统正方形单元等损伤概率逾渗模型的基础上,推导了正方形单元不等损伤概率模型,确定了梯形原胞、三角形原胞破坏情况,建立了三角形断面逾渗相变重整化群模型,并以某混凝土重力坝断面为例,针对上、中、下部不同单元损伤概率下的整体断面破坏概率进行比较研究。迭代计算结果表明,当单元损伤概率小于0.40时,大坝断面整体处于安全状态;当损伤概率在0.40~0.60时,整体安全性降低,结构由安全向整体破坏过渡;当损伤概率大于0.60时,整体安全性极低,此时若外界环境恶化,极有可能发生整体贯穿破坏。