岩石冻融力学实验及损伤扩展特性

通过红砂岩和页岩两种岩石饱水后的冻融力学实验,系统研究了岩性及冻融循环等对岩石损伤力学特性的影响;充分考虑岩石细观结构的非均匀性,运用宏观唯象损伤力学和非平衡统计的概念和方法,得到了冻融受荷岩石的损伤演化方程;应用推广后的应变等价原理,对不同冻融次数下受荷岩石应力与应变的变化规律,得到统一的损伤扩展本构关系;探讨了岩石...     

冻融受荷岩石唯象损伤扩展特性探讨

针对工程地质和岩土工程中所涉及到的冻害问题,从细观力学机理出发,将冻融循环次数及应变和岩石的损伤变量联系起来,得到宏细观相结合的冻融受荷岩石损伤演化方程及损伤扩展本构关系;对冻融荷载作用后的岩石进行唯象损伤扩展特性分析.研究发现:岩石的冻融损伤是一个疲劳损伤破坏过程,在寒区岩体工程设计和施工中,必须考虑冻融损伤的影响;寒区工程结构受荷岩石的岩性、初始损伤状态及力学性质的不同,造成冻融循环和荷载对损伤扩展的影响差别非常大,并表现出终态的宏观差异.     

基于细观损伤的岩石受压本构关系模型研究

结合岩石破坏特征,将岩石变形分解为弹性变形和由于微裂缝滑移的塑性变形两部分,由此提出一种细观损伤单元,发展了一类细观损伤物理模型,并从细观层次上解释岩石受压应力-应变关系中的非线性和应变软化现象;基于平衡和变协调条件,建立弹塑性受压本构关系模型,并建议了塑性变形的简化计算方法,利用统计损伤理论和优化算法,确定损伤演化方程,并探讨模型参数与围压的经验关系,进而建立起基于特定围压下的岩石损伤本构关系预测方法.该方法与已有试验结果相比较,结果吻合较好.     

等围压条件下岩石本构模型及损伤特性

为了揭示岩石变形破坏的全过程,将连续损伤理论与非平衡统计方法相结合,建立了等围压作用下岩石的损伤本构模型,推导了模型参数与岩石变形破坏特征参量的理论关系,分析了砂岩以裂纹为主导的变形破坏过程.结果表明:岩石损伤细观上表现为原始微裂纹的扩展贯通,其宏观力学特性取决于岩石内部的细观力学响应;随着轴向应变的增加,岩石损伤经历演化、稳定扩展、损伤加速,直至产生破坏;随着围压的增加,砂岩的损伤劣化程度减小,损伤演化率逐渐降低,宏观上表现为岩石平均强度的增大和塑性的增强.通过试验结果验证,损伤本构模型合理可行.     

冻融循环条件下受荷岩石的损伤本构模型

基于岩石细观结构的非均匀性,建立了冻融受荷岩石损伤扩展本构关系,通过冻融损伤、受荷损伤与总损伤3个损伤因子描述岩石材料各层次的劣化程度及损伤演化途径。通过与岩石冻融循环力学特性试验结果对比,证明所建立的模型能够很好地反映不同冻融循环次数下岩石应力应变的变化关系。     

水泥土材料的细观损伤机理

为了研究水泥土的细观损伤机理,在中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室进行了一系列水泥土细观力学试验.基于细观力学实验结果,分析了实验进行过程中水泥土细观实时图像的表面变化以及水泥土应力-应变关系曲线的突变特征,探讨了水泥土的细观损伤破裂机理.结果表明：水泥土材料的结构组成具有不均匀性,且有初始损伤存在.在荷载作用下,材料的破坏是由其内部细观尺度的损伤演变并发展的,最终汇聚成宏观裂纹,宏观裂纹进一步扩展导致材料强度丧失、结构破坏.用细观力学和损伤力学基本原理来分析水泥土的承载性状及在第一承载阶段的损伤演变情况,可评定材料的承载能力及其工程结构的可靠性.     

混凝土单轴受压本构模型及其应用

通过一个细观模型,从损伤的角度解释混凝土在压应力作用下应力-应变关系的非线性和应变软化,根据等效应变假设和损伤力学基本原理,建立了单轴受压混凝土的弹塑性损伤本构模型,可导出已有单轴受压本构关系,并能反映混凝土的刚度退化和卸载后的残余变形;提出一类损伤函数和塑性变形经验表达式,利用应力-应变曲线特征条件和优化算法确定模型参数;与已有受压试验结果相比较,结果吻合良好.     

基于Mohr准则的岩石损伤本构模型及其修正研究

基于Mohr准则,重新定义了岩石微元强度。考虑岩石微元强度服从随机分布的特点,结合损伤力学理论和统计强度理论,建立了三轴压缩条件下岩石损伤本构模型。为使建立的模型更具一般性,分析了模型参数与围压的关系,并据此对模型参数进行合理修正,从而建立出完整的岩石损伤本构模型。与试验结果比较,所建模型可以灵活地模拟各级围压下岩石破裂过程的全应力应变关系,尤其是应变软化特性。同时,该模型形式简单,应用方便,接近工程实际。     

损伤灰岩动态压缩力学特性的实验研究

在Hopkinson压杆上采用改进的实验技术对灰岩材料进行了高应变率动态压缩实验，有效地解决了横向惯性效应对岩石类脆性材料实验精度的影响，对完整灰岩和损伤灰岩的动态压缩力学特性进行了对比实验研究。结果表明，灰岩表现出应变率硬化效应和损伤软化效应，完整岩石的极限动态破坏压应力高于损伤岩石约30％。     

考虑岩石应变软化特征的井筒稳定性分析

弹性-应变软化-塑性变形是岩石压缩过程中典型的力学行为,考虑岩石应变软化特征有助于正确评价井筒的稳定性.通过开展岩芯的三轴压缩实验获取岩样的全应力-应变曲线,结合Mohr-Coulumb强度屈服准则对岩石的强度参数进行反演分析和数值验证,获得岩样的强度参数随塑性变形的变化规律.运用FLAC3D有限差分软件建立井眼模型,应用应变软化模型计算了井周塑性区分布,通过与理想弹塑性模型对比,表明考虑岩石应变软化情况下的井周塑性区范围更大,井筒更易发生失稳.研究对于确定钻井液密度安全窗口和指导钻井施工具有指导意义.     

损伤本构模型研究方法新进展

概要地介绍了国内外近年来有关混凝土、岩石类材料务本构关系研究的情况，侧重于本构模研究方法上的新进展，其中包括：损伤变量定义的不断扩充；宏观唯象方法的成熟发展，以及细胞观与宏观相结合的务研究方法。     

大变形巷道锚杆的力学特性

通过现场和实验室试验对大变形巷道锚杆的力学特性进行了测试 ,揭示了锚杆与围岩相互作用全过程 :初撑→增阻→恒阻→降阻直至失效 ,论述了锚杆阻力下降和失效是大变形巷道锚杆支护所具有的基本规律 .为此 ,对 FLAC3.3中锚杆单元模型进行了修正 ,使其具备模拟锚杆损伤软化的功能 ,并将其成功地应用于工程实践     

Damage constitutive model for strain-softening rock based on normal distribution and its parameter determination

Firstly, using the damage model for rock based on Lemaitre hypothesis about strain equivalence, a new technique for measuring strength of rock micro-cells by adopting the Mohr-Coulomb criterion was developed, and a statistical damage evolution equation was established based on the property that strength of micro-cells is consistent with normal distribution function, through discussing the characteristics of random distributions for strength of micro-cells, then a statistical damage constitutive model that can simulate the full process of rock strain softening under specific confining pressure was set up. Secondly, a new method to determine the model parameters which can be applied to the situations under different confining pressures was proposed, by deeply studying the relations between the model parameters and characteristic parameters of the full stress-strain curve under different confining pressures. Therefore, a unified statistical damage constitutive model for rock softening which can reflect the effect of different confining pressures was set up. This model makes the physical property of model parameters explicit, contains only conventional mechanical parameters, and leads its application more convenient. Finally, the rationality of this model and its parameters-determining method were identified via comparative analyses between theoretical and experimental curves.     

岩溶区地下厂房洞室群围岩渗流效应分析

岩溶渗流效应包括渗流场的力学效应和岩体软化效应。针对富水岩溶区地下工程的特殊赋存环境,提出了岩溶地下厂房3维渗流场力学效应耦合计算方法和基于强度折减原理的渗流软化效应分析方法。计算分析了不同工况、围岩不同软化程度下洞周变形破坏规律。提出地下洞群整体软化安全系数的确定方法,定量评价不同工况下地下厂房洞群围岩整体相对稳定状态,分析岩溶渗流软化效应对围岩稳定的影响。工程实例表明:考虑渗流场力学效应时,开挖完毕围岩变形都明显增大,变化规律与监测相符;对比无渗流场、考虑施工期渗流场和考虑运行期渗流场各工况的整体软化安全系数变化规律发现,渗流场软化效应显著;运行期正常蓄水后,地下水位的提高引致厂区渗流场调整,对围岩整体稳定存在明显影响。整体软化安全系数能够有效地反映渗流软化效应对岩溶地下厂房围岩稳定的影响,为岩溶区地下厂房工程优化设计、施工监测及安全运行评价提供有益参考。     

考虑非贯通节理损伤演化岩体复合本构模型

非贯通节理岩体的力学特征与完整岩石相比有较大差异.为推导非贯通节理岩体在单轴压缩下的复合损伤本构模型,采用修正自洽方法考虑不同损伤变量之间的复合.从附加应变能增量和损伤应变能释放量相关联的思路出发,采用等效直线裂纹作为节理裂隙损伤演化轨迹,分别计算细观损伤、初始节理和节理裂隙损伤演化引起的附加应变能;基于Betti能量互易定理,引入自洽方法考虑节理裂隙之间的相互作用,并采用逐条添加节理的方法对传统自洽方法进行修正,得出岩体不同受力阶段细观、初始节理和节理裂隙损伤演化的复合损伤本构模型;将本构模型的理论计算结果与现有文献的室内试验结果进行对比分析,结果显示:本构模型的理论计算结果与室内试验结果规律一致,随着节理个数增加,初始弹性模量和荷载峰值均呈下降趋势,下降幅度较为一致;节理裂隙的损伤演化对岩体的力学特性有重要影响,考虑节理裂隙损伤演化的理论应力应变曲线和荷载峰值与室内试验结果更为吻合,有效验证了复合损伤本构模型的正确性与合理性.     

基于对数正态分布的岩石损伤统计分析方法研究

以Mohr强度理论为基础,利用岩石微元强度服从对数正态随机分布的特点,得到了三轴压缩条件下的岩石损伤统计本构模型,并根据试验曲线采用最小二乘法确定出模型参数．与试验结果比较,该模型可以很好地模拟岩石破裂过程的全应力应变关系,真实反映了岩石软化特性、岩石强度随围压变化等特性．在此基础上,讨论了对数正态参数R0,S0对岩石应力应变全过程曲线的影响．结果表明,参数R值的变化对岩石的强度有影响;参数S0值的变化对岩石的脆性有影响．     

考虑软化效应的隧道围岩自稳时间解析模型

现行隧道自稳时间解析法中未考虑地下水的软化作用,导致过高估计亲水软化性岩石的围岩质量。以具有典型软化特性的石膏岩为研究对象,探索水的软化作用对隧道围岩自稳时间的影响。采用试验和理论相结合的方法研究围岩自稳时间。首先,进行不同浸水时间下的石膏岩软化试验,研究其软化规律;通过试验获得石膏岩吸水率、弹性模量和泊松比分别与浸水时间之间的定量关系;在弹性模量与浸水时间及泊松比与浸水时间的定量关系中,引入完整性系数和富水系数,建立岩体力学参数软化方程。然后,基于经典的圆形轴对称隧道弹性解,考虑掌子面对隧道轴向位移的影响,推导出隧道临空面处无支护状态下的位移公式;把岩体力学参数软化方程嵌入此位移公式中,获得考虑软化效应的临空面位移解。最后,在此位移解中引入活跃跨度和围岩的临界位移值,建立考虑软化效应的隧道围岩自稳时间解析模型。该模型考虑了围岩体工程特性、岩石力学特性及岩石软化特性,能输出自稳时间与活跃跨度之间的关系曲线。经自洽分析法检验,该模型中自稳时间随各参数的变化规律与实际情况相符,模型具有自洽性。模型被应用于评价礼让隧道石膏围岩的自稳时间,现场反馈结果表明该模型更适合于现场应用。     

Mechanism on progressive failure of a faulted rock slope due to slip-weakening

1 Introduction The damage or failure of faulted rock slope is a quite difficult problem in geotechni- cal engineering, and attention has been drawn from researchers for a long time. Apart from the toppling damage of steep slopes, most of the failure pattern of faulted rockslopes is shear-typed. The failure process of such a slope includes: initiation and devel- opment of a single micro-crack, breakthrough of two or more cracks, formation of fail- ure zones, and even shear damage in large scale…     

Mechanism on progressive failure of a faulted rock slope due to slip-weakening

Slip-weakening is one of the characteristics of geological materials under certain loadings. Non-uniform rock structure may exist in the vicinity of the slip surface for a rock slope. Some portion of the slip surface may be penetrated but the other not. For the latter case, the crack or the fault surface will undergo shear deformation before it becomes a successive surface under a certain loading. As the slipped portion advances, slip-weakening occurs over a distance behind the crack tip. In the weakening zone, the shear strength will decrease from its peak value to residual friction level. The stress will redistribute along the surface of crack and in the weakening zone. Thus the changed local stress concentration leads the crack to extend and the ratio of penetration of the slip surface to increase. From the view of large-scale for the whole slip surface, the shear strength will decrease due to the damage of interior rock structure, and the faulted rock behaves as a softening material. Such a kind of mechanism performs in a large number of practical landslides in the zones experienced strong earthquakes. It should be noted that the mechanism mentioned above is different from that of the breakage of structural clay, in which the geological material is regarded as a medium containing structural lumps and structural bands. In this paper, the softening behavior of a faulted rock should be regarded as a comprehensive result of the whole complicated process including slip-weakening, redistribution of stress, extension of crack tip, and the penetration of the slip surface. This process is accompanied by progressive failure and abrupt structural damage. The size of slip-weakening zone is related to the undergoing strain. Once the relative slide is initiated (local or integrated), the effect of slip-weakening will behave in a certain length behind the crack tip until the formation of the whole slip surface.