岩石统计损伤软化模型及其参数反演

为了反映岩石应变软化现象,基于岩石微元强度服从Weibull随机分布的假定,结合连续损伤理论,建立岩石统计损伤软化模型。该模型含有2个待定系数,其中一个可通过岩石应力-应变曲线的峰值点确定,另一个取决于微元强度参数。通过研究微元强度参数对所建模型的影响,采用优化反演分析法确定模型参数,克服传统方法求解模型参数精度较低的难点,并依据微元强度参数选取合理的强度准则。采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机进行红层泥岩常规三轴压缩试验,对比试验曲线和理论曲线,验证了本文模型和方法的正确性与合理性。     

水压力作用下岩石统计损伤本构模型研究

为了探究水压力对岩石损伤的影响,在多孔材料弹性理论框架内,利用有效应力原理,结合连续损伤力学和统计理论把霍克-布朗(Hoek-Brown)准则作为微元体强度破坏准则,建立水压力作用下的岩石统计损伤本构模型;并根据残余强度和峰值强度的关系对损伤变量进行修正,使模型能够更好地反映岩石峰后阶段的软化特征。通过室内试验进行模型验证和参数分析,结果表明:建立的模型能够较好地反映水压作用下岩石的应力-应变关系;随着水压力的增大,模型参数n呈增大趋势,岩石的脆性度增高,参数F₀呈减小趋势,岩石的强度降低;峰值点法在确定模型参数时优于曲线拟合法。研究成果对于水压力作用下岩体工程的安全分析有一定的参考价值。     

一种新的岩石损伤软化本构模型

结合岩石微元强度提出了损伤变量的新形式,据此建立了新的岩石损伤软化本构模型.根据岩石三轴试验,可确定该模型中表述损伤变量的双参数.算例表明,该岩石损伤本构模型能反映岩石应变软化性状.     

建立在应变空间上的混凝土四参数破坏准则

提出了建立在应变空间上的混凝土四参数破坏准则,从而消除了Hooke定律假设和平面应力假设对有限元分析计算的影响.结合损伤模型,通过算例计算并与应力空间其他准则相比较,验证了该准则的合理性和可行性.该准则的特点是:形式简单,不仅能正确反映混凝土单轴应力状态下的强度,而且能很好地反映多轴应力状态下混凝土的强度.     

基于统一强度理论的岩石三维损伤模型及其验证

本文基于岩石损伤、断裂演化的阶段性特征,将岩石应力-应变曲线分为两个阶段,第一阶段依次包括:Ⅰ-无损伤弹性、Ⅱ-微裂纹演化和Ⅲ-宏观裂纹成核三个内部损伤过程,曲线跨越峰值点;第二阶段包括:Ⅳ-宏观裂纹扩展和Ⅴ-摩擦滑动。鉴于此,提出两种不同类型的曲线拟合单轴应力-应变曲线并建立一维损伤模型。在复杂应力状态下,采用统一强度理论构造复杂应力等效应变,从而将一维损伤模型推广为三维损伤模型的统一框架。该模型参数直接取值单轴应力应变曲线,可表现岩石峰值后演化的重要特征如应力跌落、残余强度等。大量实验数据验证表明,模型曲线与实验曲线符合较好。模型可推广于岩土材料、金属的非线性描述。     

考虑水岩耦合作用的水电站边坡岩石损伤模型

库水位上升、下降对水电站大坝边坡稳定性产生不利影响。通过室内不同干湿循环条件下岩石的三轴压缩试验,基于统计损伤力学理论,根据岩石在不同干湿循环条件下应力~应变特征,利用岩石应力~应变曲线的极值特点,推导求解模型参数的数学方程,建立三轴压缩条件下岩石损伤本构模型。通过与不同干湿循环条件下岩石应力~应变曲线的比较,损伤模型可以很好地反映岩石应力~应变关系。干湿循环次数对参数m和F_0造成影响,随着干湿循环次数的增大,两个参数的值逐渐变小,且干湿循环次数对参数m的影响较大。通过对干湿循环下岩石的内摩擦角与黏聚力劣化分析,可以得到参数α和k的值不断减小,对准则参数α和k进行折减,建立岩质边坡稳定性分析的模型,对水电站大坝边坡稳定性分析具有重要意义。     

基于统计损伤理论的德鲁克-普拉格岩石强度准则的修正

德鲁克-普拉格强度准则是目前岩石力学中广泛应用的岩石强度准则之一，其计算结果较为保守，与实际存在差距，为此本文深入探讨了其修正方法。研究方法是在前人岩石损伤软化统计本构模型研究的基础上，通过探讨不同围压条件下模型参数与围压的关系,对模型进行修正，然后，根据岩石屈服或破坏的概念，利用岩石变形软化全曲线的极值特性，采用多元函数求极值的方法建立岩石强度理论，从而对德鲁克-普拉格岩石强度准则进行修正。修正后的德鲁克-普拉格准则能反映体积应力、剪应力、中间主应力和最小主应力对岩石强度的影响，同时还可以反映岩石强度莫尔包络线的曲线特征，它与试验结果吻合良好。工程实例计算表明，该强度准则能更好地反映工程实际。     

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。     

节理岩体宏微观损伤耦合的三维本构模型研究

提出了考虑宏微观损伤耦合的节理岩体本构模型,其中微观损伤模型采用基于应变强度准则和岩石微元强度服从Weibull分布的统计损伤模型,把其应用于被节理切割而成岩块。节理岩体损伤张量计算是该模型的一个关键问题,在已有的二维问题损伤张量计算方法的基础上对三维问题损伤张量计算方法进行了讨论。结果表明,所提出的本构模型能够较好地反映宏、微观两类损伤对岩体力学性能的影响。也能够较好地反映试件强度随围压的变化规律,因而较为合理。更多还原     

单轴压缩下砂岩断裂试验及细观统计损伤模型

岩石是典型的非均匀性材料,含有裂纹、颗粒胶结面等缺陷,建立三维岩石损伤破裂本构模型,真实模拟岩石宏细观力学特性,是岩石损伤力学中的首要问题之一。通过赋予损伤后细观单元一定的承压能力,使其成为"接触单元",模拟压缩状态下的物质接触愈合作用,建立考虑细观单元残余强度的统计损伤本构模型,给出损伤变量的演化规律,采用Weibull双参数分布模拟岩体细观参数的非均匀性和随机性,编制程序实现了三维模型的单轴压缩计算。开展圆柱形砂岩单轴压缩物理试验,将基于细观统计损伤模型的计算结果与物理试验结果对比。结果表明,数值模拟结果与砂岩单轴压缩试验中宏观弹性模量及单轴抗压强度一致,应力应变曲线相吻合。基于考虑细观单元残余强度的本构模型可以准确模拟砂岩试样逐渐从细观损伤累积到集聚成核断裂扩展直至破坏的全过程,数值模拟最终破坏形态特征与物理试验一致。验证了模型的有效性,为进一步采用本构开展不同荷载条件及岩体工程分析应用奠定了基础。     

西部弱胶结泥岩的三轴压缩试验分析

为解决西部弱胶结软岩巷道支护难题,在内蒙古鲁新煤矿对典型弱胶结泥岩取样,并对其进行不同状态(天然状态、饱和状态和烘干状态)和不同围压水平的室内三轴压缩试验,分析其强度特征和基本力学指标与围压的变化关系。试验数据表明①自然状态下弱胶结泥岩峰值强度和残余强度非常低,随着围压的增加,泥岩的峰值强度和残余强度均有较大提高,且峰值强度与围压呈对数变化关系;②泥岩对水非常敏感,随着含水率的增加峰值强度和残余强度均降低,峰值强度降低幅度更明显;③通过引入三轴软化系数进行分析,结果表明泥岩的软化系数随围压增加而下降,泥岩3种状态下的弹性模量与围压增加呈线性增大变化。最后通过泥岩三轴压缩四阶段应力-应变曲线的拟合分析,建立了泥岩三轴压缩全应力-应变关系。     

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。     

泥质白云岩干湿循环力学特性试验研究及其本构模型

水岩相互作用一直是研究的热点课题,水岩相互作用使岩石性质劣化,影响岩石的强度。以泥质白云岩为研究对象,进行了干湿循环作用后的单轴和三轴压缩试验,研究了不同循环作用下岩石的强度、变形等力学特性,并运用连续损伤力学和统计理论,推导出干湿循环作用下岩石的损伤统计本构模型。试验结果表明:泥质白云岩峰值强度随干湿循环次数增加而减小;泥质白云岩在单轴压缩试验中,岩石的总劣化度随干湿循环次数增大呈增大的趋势,而各阶段的劣化度和平均劣化度逐渐降低并趋于稳定;三轴压缩试验中,岩石的总劣化度随围压增加而总体呈现先减小再增加的趋势,较高次的循环对岩石的强度影响大于较高的围压作用对其影响;岩石的弹性模量随干湿循环次数的增大呈总体减小的趋势。通过对比理论曲线与试验曲线可知,本构模型能够较好地反映岩石三轴应力-应变关系,验证了该模型的合理性。     

锦屏大理岩力学特性试验及其数值模拟

采用锦屏大理岩进行三轴压缩过程中力学特性室内试验,并从岩石细观力学角度对其力学特性成因进行探讨。在此基础上通过引入两个参数,进一步建立了能够反映大理岩全应力-应变过程中强度变形特性的黏聚力弱化-摩擦角强化(CWFS)改进模型,并采用试验结果对该模型进行验证。研究结果表明:(1)随着围压的增大,锦屏大理岩表现出明显的脆-延-塑性转换的峰后力学特性,峰值强度与残余强度之间的差值呈单调减小的趋势,应力-应变曲线中由峰值强度向残余强度跌落段曲线的斜率逐渐变缓;(2)高围压条件下岩石裂隙之间的摩擦力、岩石内部材料的均匀化程度是导致大理岩表现出脆-延-塑性转换的峰后力学特性的主要原因;(3)黏聚力弱化-摩擦角强化改进模型能较好地描述大理岩全应力-应变过程的强度、变形特征,且模型参数物理意义明确,易于获得。     

石英砂岩蠕变力学特性及长期强度研究

通过三轴压缩蠕变试验,分别以过渡蠕变法、等时应力-应变曲线法、稳态蠕变速率与应力关系法、残余应变法以及强度与破坏时间关系法研究石英砂岩的长期强度。结果表明,对于石英砂岩的长期强度,前4种方法得到的结果大体一致;过渡蠕变法、残余应变法只能根据应力梯度得到长期强度临界值,等时应力-应变曲线法取拐点的过程具有一定主观和随意性,稳态蠕变速率与应力关系法受岩石稳态蠕变发展程度影响,确定的长期强度略小于等时应力-应变曲线法;针对传统稳态蠕变速率与应力关系法的不足,通过同时在曲线左、右侧取切点交点的方式进行改进,确定石英砂岩在围压4、8 MPa和12 MPa下的长期强度分别为19.63、27.65 MPa和37.07 MPa,折减范围为33.4%~34.5%。     

考虑黏聚力损失的岩石残余强度模型与数值验证

岩石的峰后力学性质对于维持岩土工程结构的稳定性至关重要,为研究岩石峰后残余强度的确定方法,利用岩石进入残余强度阶段后摩擦力强度增强、黏聚力强度减小的特点,通过假定岩石进入残余变形阶段后黏聚力强度为0,基于HOEK-BROWN破坏准则,建立了一种考虑岩石进入残余强度阶段时黏聚力损失的岩石残余强度模型。用该模型拟合完整粗晶大理岩的室内三轴试验结果,并与已有M-C模型和Joseph模型等方法对比分析,讨论了模型的优势。将该模型嵌入到FLAC3D软件中进行数值模拟验证,结果表明:该岩石残余强度模型能正确反映不同围压条件下岩石力学响应的基本规律,得到的残余强度值与试验结果吻合良好,其随围压变化的拟合曲线符合试验数据拟合结果的特点,即经过原点及高围压条件下未出现应变硬化现象。研究成果对分析岩石残余强度的确定方法具有较强的参考价值或指导意义。     

土体中间主应力确定及其对临界值影响

分析比较平面应变状态下中间主应力的各种形式,根据侧限压缩试验的特殊应力应变条件,推导了一个 与土性参数有关的中间主应力表达式. 该表达式可简单地通过三轴压缩试验所得的参数来确定,同时还可以简 单反映土体应力历史对土体强度的影响. 将该表达式与SMP 准则和Lade 准则结合,建立了平面应变状态下土 性参数与三轴压缩状态土性参数的关系,通过试验数据的分析比较看出,所得的中间主应力能更好地反映土体 的实际性状,对于SMP 准则和Lade 准则均有很好的适用性.