岩石动态损伤特性实验及爆破模型

 探索岩石动态损伤参量及其演化表征方式以构造岩石爆破损伤模型。通过岩石冲击损伤实验,对冲击前后试件进行超声波测试, 得出岩石动态损伤与超声波衰减规律的关系。在考虑岩石冲击损伤过程的声波衰减规律及其与能量耗散率关系的基础上, 建立新的岩石爆破损伤模型。通过实验验证该模型的计算结果并实现了岩石台阶爆破数值计算。     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

冲击载荷作用下硬岩层裂破坏的理论和试验研究

 理论分析半正弦冲击入射加载波形下的层裂破坏特性，推导产生层裂破坏的位置和层裂厚度。利用改进的霍普金森压杆装置产生的半正弦波形对花岗岩试件进行层裂破坏试验。采用高速摄像仪记录试件层裂破坏的全过程。试验结果表明：岩石试件在半正弦入射加载波形情况下，首先如理论推导结果一样只产生了一层层裂破坏，但是随着时间的推移，岩石试件后续又产生了多层层裂；高速摄影仪和动态应变仪所采集到的分析结果均表明后续产生的层裂是由于入射加载过程中已经对岩石试件产生了损伤，以致在很弱的残余反射波作用下继续产生破坏而出现多层层裂。因此，研究岩石等脆性材料的层裂破坏规律，不但要根据最大拉应力瞬间断裂准则分析入射加载波和反射卸载波相互作用所产生的破坏效应，而且要考虑损伤对材料的影响。理论分析和试验方法对研究岩石的层裂破坏及其他相关特性具有一定的指导意义。     

单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究

利用改进的大直径SHPB试验装置,对花岗岩试件进行单轴循环冲击压缩试验,分析花岗岩在循环冲击载荷下的力学特性及能量吸收规律。通过基于Weibull分布的动态统计损伤模型计算岩石的累积损伤,结合试验曲线分析岩石累积损伤的演化规律。研究结果表明：随着冲击载荷循环作用次数的增加,变形模量变小,试件的屈服应变增大,峰值应力呈降低趋势。岩石的累积比能量吸收值随着冲击次数的增加而增大,且试件破坏前其值增加缓慢,试件破坏时其值急剧增大。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线具有较好的一致性,该模型能反映岩石的强度与应变、应变率的关系。累积损伤随着循环冲击次数的增加而增大,其增加速率由小变大,试件破坏前累积损伤的增加较为平缓,其主要增量由最后一次冲击破坏产生。     

数字图像灰度相关性用以描述岩石试件损伤演化的研究

岩石试件表面的数字图像可作为试件表面变形或裂纹扩展的信息载体。为从加载过程中记录的数字图像中分析出定最的信息，提出一种新的分析方法：计算两幅图像灰度的相关性，用灰度相关性的分布表征变形和破裂的发展。介绍了图像灰度相同关性的计算方法，并用模拟的变形和破裂图像验证了灰度相关性在表征变形与破裂上的有效性，最后用此方法对一个岩石结构加载过程中的图像序列进行分析。结果表明，图像灰度相关性分布的演化与结构的变形局部化演化在空间和时间上都存在对应关系。因此，试件表面数字图像灰度相关性可作为描述岩石材料损伤演化的一种工具。     

灰岩细观结构的化学损伤效应及化学损伤定量化研究方法探讨

化学腐蚀下岩石细观结构的改变是引起岩石力学性质变化的根本原因,因此,对细观结构的化学损伤效应及其定量化的研究具有重要意义。通过化学腐蚀下岩石细观结构的变化,分析研究了化学溶液对岩石细观结构的腐蚀损伤效应;并以空隙率的变化为基础,建立了化学腐蚀下岩石细观结构化学损伤变量计算公式,给出了损伤测量参数的计算方法。该方法的应用,对岩石试件无破坏作用,可对同一试件持续进行不同时间段的腐蚀损伤特征研究。避免了在损伤时间效应研究过程中,因使用不同的岩块,而由岩块间微观结构差异所产生的误差影响。     

低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法

X射线CT方法研究发现单轴压缩条件下岩石经历压密、扩容、CT尺度裂纹演化和破坏过程4个阶段。这表明低应变率条件下岩石的变形破坏过程的细观机制主要表现为裂纹成核、萌生、扩展、贯通过程。CT图像分析和密度损伤增量分析是X射线CT方法的两种手段。CT图像分析可以获得裂纹宽度、长度、方位等定量化参数。密度损伤增量分析可以获得密度损伤增量图像和岩石试件内部任意应力状态、任意部位的密度损伤值。在CT尺度裂纹演化和破坏阶段，由于岩石损伤高度局部化，声发射率参数不能精确反映岩石破坏的细观机制。     

加卸载响应比与损伤变量关系研究

 首先介绍加卸载响应比的2个基本参量，并从损伤力学的基本理论出发，引入损伤变量，结合加卸载响应比方法的思想，推导用损伤和应变定义的加卸载响应比，并以Weibull分布作为随机分布函数，建立且分析损伤变量与加卸载响应比之间的联系，并进一步考察Weibull指数对两者关系的影响。然后利用岩石破坏声发射实验的数据，用声发射数密度描述岩石试件的损伤演化过程，并由此根据损伤和应变定义的加卸载响应比，结合实验过程中的损伤和应变，计算花岗岩试件的加卸载响应比曲线，并与用Benioff应变作响应量计算的加卸载响应比曲线进行比较，发现两者具有相当程度的一致性，两者的加卸载响应比值都经历了出现异常→升高到最大值→急剧回落→岩石试件破裂或失稳，这一规律与实际地震震例中加卸载响应比的演化趋势是一致的，同时也说明在实际地震预测中用Benioff应变作为响应量来计算加卸载响应比是合理的。最后介绍意大利那不勒斯大学完成的二层楼房的加卸载实验，且对实验结果进行分析。建立的加卸载响应比与损伤变量的关系，不仅为加卸载响应比用来定量研究脆性介质的损伤程度提供更为坚实的基础，而且也可能为评估大型建筑的损伤和预测工程事故开辟新道路。     

岩石损伤CT数分布规律的定量分析

在岩石CT扫描CT数分布规律的基础上，建立了CT数分布规律的数学模型，推导了岩石损伤密度与CT数的定量关系。重要的是将CT数和岩石损伤变量联系起来，推导了用CT数表达岩石损伤变量的公式，并和Bellion公式和Lemaitre用材料密度表达损伤变量公式进行计算分析比较，从而验证本文用CT数表达岩石损伤变量公式的正确性。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下，实测岩石的能量耗散及损伤，数据拟合表明，基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律，给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则，该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体，提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则，该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

基于能量耗散原理的盐岩动力特性及破坏特征分析

为研究盐岩的动力特性和破坏特征,利用带围压的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对盐岩进行不同围压(5,15和25 MPa)下的冲击试验,并基于能量耗散原理来研究盐岩动态力学性能以及破坏特征,分析整个试验过程中的能量传递与转化,探究围压和输入能量对试件吸能及破坏的影响。研究结果表明:在同一围压下,随着入射能的增加,盐岩硬化效应越明显,表现为能量反射率增高而透射能和吸收能降低;在相同或相近的入射能下,随着围压的升高盐岩的流塑性变得越明显,但在动力荷载下盐岩由流塑性向脆性转变,最后发生脆性破坏;随着吸收能的增加,盐岩的峰值应力因围压不同而表现出不同的变化趋势,低围压时,吸收能越大,峰值应力越高,而高围压时,吸收能越大,峰值应力却越小;在有围压状态下,盐岩的冲击破坏形态与其他的脆性岩石相似,但在破坏机制上存在很大差异。     

地震荷载作用下坝及其岩基的脆性动力损伤分析

将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入Mohr-Coulomb破坏准则，对岩石类的脆性材料建立了一种动力损伤破坏的模型，并应用该模型对地震荷载作用下的坝和岩基的破坏过程进行了脆性动力损伤分析。这种方法从连续损伤力学的观点研究了岩体结构在动力荷载作用下脆性损伤．破坏的突变机理。结果表明，损伤会在坝与岩基的上游坡的结合处由于应力集中而明显地增长。在硬岩基上的坝内，损伤发展比软岩基上灵敏。     

岩石变形破坏过程中的能量耗散分析

岩石作为一种复杂的非均质地质材料，其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程。采用损伤演化方程可以从宏观上描述损伤变量以及与其相伴的广义热力学力——损伤能量释放率的变化规律。进一步通过细观损伤力学的研究，可以揭示岩石变形破坏过程中能量耗散的内在机制。围绕这一基于能量耗散的岩石力学研究思路及其相关进展，最终将建立基于损伤演化及能量耗散的宏．细．微观多层次耦合的岩石力学体系，这有助于更准确地解决岩石工程领域中更多的力学分析问题。     

砂岩拉伸过程中的能量耗散与损伤演化分析

岩石作为一种非均质的复杂地质材料,其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。借助先进的试验测试系统,可以对岩石进行直接拉伸试验,从而在现有大量压缩试验的基础上进一步完善对岩石基本力学行为的研究。通过砂岩的循环拉伸试验研究发现,拉伸过程中外载所做的总功除了引起岩石弹性变形能的增大外,还有一部分被耗散掉从而导致岩石发生不可逆的损伤。在对能量耗散进行分析的基础上,可以建立岩石的损伤演化方程,并通过试验测定相应的参数指标。试验研究和理论分析表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。     

孔隙岩石的SHPB试验研究

利用分离式Hopkinson压杆装置测量砂岩的动态力学特性，分析冲击过程和砂岩能量耗散过程，进一步讨论孔隙率对人造岩能量耗散的影响。试验结果表明：利用。维应力波理论得到动载下砂岩的应力-应变关系曲线，有助于在数值模拟计算中选择合适的模型和参数；山于砂岩中存在大量的缺陷（微裂隙、空洞和孔隙等），故在冲击载荷作用下具有明显的压剪破坏形式：孔隙率对冲击载荷作用下岩石能量耗散起着重要作用；在冲击载荷作用下，随着岩石孔隙率的增加，岩石耗散的能量也增加。     

岩石变形破坏过程耗散结构理论分析及损伤模型

将岩石视为系统,运用耗散结构理论分析能量在岩石系统形成有序耗散结构过程中的作用机制,揭示能量演化与强度变化、缺陷系统演化之间的关系和规律,在此基础上,以耗散能为参量建立描述缺陷系统演化过程的非线性动力学方程,推导耗散能演化方程,采用非线性最小二乘法对多种岩石的耗散能演化试验数据进行回归分析,验证耗散能演化方程的正确性。基于能量耗散和耗散能演化方程定义损伤变量表达式,从而得到能够反映岩石内部能量和力学作用机制的损伤演化方程。依据连续损伤理论建立考虑残余强度的岩石三维损伤本构模型,通过与多种岩石不同围压下的试验应力应变曲线进行对比,分析表明理论曲线与试验曲线吻合良好,所建损伤本构模型可以很好地描述复杂应力环境下岩石材料的变形与强度特性。     

岩石卸围压破坏过程的能量耗散分析

 在分析试验机与岩样之间能量交换的基础上,综合分析岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律,以及能量与岩样变形、围压之间的关系。研究结果表明,在卸围压破坏过程中,能量耗散与岩样的破坏特征及施加围压有较大关系;延性破坏的能量耗散大于脆性破坏,同一种破坏模式下,岩样的能量耗散随施加围压的增大而增大。2种卸围压试验均表明,能量耗散与时间呈非线性关系,与侧向变形呈线性关系,且在相同侧胀水平下,施加围压越大,能量耗散越大,岩样更具脆性破坏特征。     

温–压耦合及动力扰动下岩石破碎的能量耗散

采用自行研制的温–压耦合及动力扰动试验系统,在4个温度等级(20 ℃,100 ℃,200 ℃,300 ℃)且每个温度等级的试样分别施加0,20,60,80 MPa的轴向静压力,对砂岩试样进行冲击试验。基于常规的霍普金森杆压缩试验中的能量耗散原理,计算出不同温度作用下动静组合加载岩石试样的能量耗散规律。结果表明：当动载荷保持不变,岩样在温度为20 ℃,200 ℃和300 ℃且预压力为20 MPa时,能量吸收率最大;而岩石试样作用温度为100 ℃时,当冲击载荷不变,不加轴压(轴压为0 MPa)时的能量吸收率最大。研究结果有助于研究高温、高应力作用下岩石破碎机制,为研究高温作用下岩体工程起到一定的参考作用。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。