单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究

 岩石在变形直至破坏失稳中的能量转化是一个动态的过程,大致分为能量输入、能量积聚、能量耗散和能量释放4个过程。通过对不同能量转化机制的非线性关系分析,建立受载岩石能量转化随轴向应力的自我抑制演化模型,并由红砂岩能量演化试验对其进行验证,所建模型适用于岩石变形破坏峰前阶段。研究表明,随应力演化的能量密度值序列遵循标准Logistic映射,能量演化具有分叉和混沌特征,当轴向应力达到约92%峰值应力时,岩石系统进入倍周期分叉区,达到约97.5%峰值应力时,进入混沌区。定义能量迭代增长因子μ,其随应力单调递增,并初步提出岩石破坏预警判据μ = 3。     

岩石损伤力学模型及其本构方程的探讨

１ 问题的提出 图１为典型的岩石应力－应变特性曲线［１］,其斜率随着应变的增大逐渐增大,至Ａ点后保持不变,到Ｂ点后又逐渐减小,在Ｃ点达到极大值,之后斜率为负,最终保持一定的残余强度（Ｄ点）,在应力不变条件下应变可无限增大。前人在研究岩石应力－应变曲线的基础上提出了许多岩石力学模型,以确定岩石的本构关系。如线弹性模型、理想弹塑性模型、双线性模型、多线性模型、双曲线模型、幂强化模型、应变软化模型等［１］。这些模型在一定范围内能反应岩石的应力－应变特性,有一定的工程应用范围。但是与岩石全应力－应变曲线相…     

岩石单轴细观损伤演化特性的CT实时分析

利用最新研制成功的CT(Computerized Tomography,简称CT)专用岩石三轴试验加载设备,完成了三轴(单轴)压缩荷载作用下岩石损伤扩展规律的CT实时试验.得到非常清晰的岩石破坏全过程中从微孔洞被压密到微裂纹发生、发展、贯通、卸荷破坏等各个阶段的CT图象.引入了初始损伤影响因子及闭合影响系数,建议了一个新的损伤变量.从CT细观试验结果出发,给出了应力损伤门槛值,将准静态岩石应力应变全过程曲线分为5个阶段,得到了岩石损伤演化的初步规律.结果表明,利用这套设备进行岩石细观损伤力学特性的研究是一种创新的方法,CT专用加载设备的研制是成功的.     

基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型研究

为准确表征岩石细观裂纹扩展演化过程的力学特性。基于唯象理论,将岩石细观结构概化为完整岩石微元体、裂纹扩展损伤微元体和孔隙三个部分;利用微元体间的静力平衡关系,构建岩石细观受力模型。在此基础上,根据岩石裂纹扩展演化特征,提出利用生物阻滞增长模型表征岩石裂纹扩展长度;基于几何损伤理论,建立裂纹扩展长度与损伤的定量关系,构建岩石裂纹扩展损伤演化方程;并利用断裂力学求解裂纹扩展损伤微元体的实际应力;通过将裂纹扩展损伤和损伤微元体实际应力引入岩石细观结构静力平衡方程,考虑软岩压密阶段非线性变形的影响,建立基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型;最后,提出模型参数的确定方法,并探讨模型参数对岩石力学性质的影响规律。结果表明：该模型能较好表征岩石裂纹扩展过程的应力应变特征,与实验结果吻合度较高,且模型参数物理意义明确。     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

岩石连续损伤本构方程

本文将连续损伤与裂纹系统弹性体的有效模量这两个分离的研究领域统一起来加以考虑,将损伤对材料性质的影响分成实际应力的变化和弹性常数的变化两部分,在Ｄｒｕｃｋｅｒ公设基础上建立了损伤演化律和损伤本构模型,初步计算表明,本模型在主要方面能够描述岩石的力学性质,并与一般实验事实相吻合。     

岩石损伤统计本构模型的研究

基于概率论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏，损伤和弹塑性变形等特征进行了探讨，建立了弹塑性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力，并能反映岩石剩余强度，与试验结果的比较显示了该模型的合理性。     

岩石损伤本构模型研究进展

对国内外近年来岩石损伤本构关系研究的现状及新进展进行了较为详细的论述,并提出了岩石损伤本构模型尚待研究解决的问题,为推动损伤力学在工程中的应用提供了理论基础。     

考虑塑性变形的岩石损伤本构模型初步研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了考虑损伤和无损岩石塑性变形的Helmholtz自由比能函数，并用连续损伤介质力学方法推导出了考虑损伤和无损岩石塑性变形耦合的岩石弹塑性损伤本构关系，给出了损伤演化方程和塑性应变发展方程，该模型还反映了岩石损伤部分不能承受拉应力等力学特性。     

单轴加载状态下岩石多参数损伤本构模型研究

基于单轴压缩声发射实验,以加载中岩石的声发射和塑性体积应变为损伤变量,建立一个多参数损伤本构模型,研究了岩石的损伤演变规律。研究表明,岩石损伤本构模型和试验应力应变曲线能很好地吻合,峰值强度之前理论值略大,峰值强度之后理论值下降较快;岩石损伤随轴向应变的增加而增大,峰值强度之前岩石损伤随加载而增加,峰值强度之后岩石轴向应力减小而损伤增加;该损伤本构模型获取的应力应变曲线和损伤值能综合体现岩石的声发射和塑性体积应变的发展。     

岩石在三轴加卸荷过程中的一种本构模型研究

岩石被视为包含有随机分布、无充填的椭球形微裂纹的各向同性体,岩石变形分解为岩石母体的线弹性变形和微裂纹的变形之和。基于压剪裂纹模型,推导了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形,从而建立了一种岩石三轴卸荷的本构模型。一组石膏模型的三轴实验结果显示,实验数据与理论计算结果能基本吻合。     

岩体结构面法向循环加载本构关系研究

对岩体结构面在法向循环加载下的受力变形关系进行了理论研究。试验表明,加卸载应力–变形曲线均可表示为双曲线函数,并且呈现不断硬化的特性,伴随产生法向残余位移。对已有双曲线型式的本构关系加以拓展,引入新的模型参数,假定卸载和重加载曲线均以结构面最大压缩位移为渐近线,曲线在法向力时为0的起始刚度由前一次循环过程的加载和卸载曲线起始刚度决定,从而完全确定循环加载本构方程。新参数体现结构面法向循环加载曲线的收敛速度和所产生的残余位移等受力变形特性,取决于岩石类型、结构面几何特征和填充物特性。通过设定参数的不同取值,这一模型分别等价于已有的不同模型。与无充填岩石裂隙和有厚度岩石夹层在法向循环加载下的试验结果对比表明,模型能较好描述岩体结构面的本构关系。     

岩石卸荷损伤演化机理CT 实时分析初探

 利用作者已研制成功的与CT 机配套的专用三轴加载试验设备, 在国内外首次完成了岩石卸荷损伤断破裂坏全过程的实时CT 试验。得到了岩石卸荷损伤演化过程中从裂纹发育、扩展、贯通到断裂破坏全过程的CT 图像。通过与岩石连续加载破坏过程细观试验结果的比较发现, 岩石卸荷破坏比连续加载情形下岩石破坏更具突发性。由静态连续加载岩石细观损伤机理出发, 将静态岩石全过程曲线划分为5 个阶段。得到了卸荷条件下岩石损伤扩展的初步规律。     

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

 采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。     

岩石损伤变量及本构方程的新探讨

提出了基准损伤、负损伤、正损伤的概念，基于岩石损伤的CT试验结果，拓展了基于CT数损伤变量的内涵，推广了应变等价原理并给出单轴压缩状态下的损伤本构方程及其算例，最后把所提出的损伤末构方程和一些传统的损伤本构方程进行了分析比较。     

基于Hoek-Brown准则的岩石损伤本构模型研究及其参数探讨

 在Hoek-Brown准则及假定岩石颗粒服从Weibull函数随机分布的基础上,结合岩石峰后软化的特点,对损伤参量进行合理修正,建立能反映岩石破裂全过程的三维损伤本构模型,并通过试验验证该模型的正确性。研究结果表明,该模型结果与试验结果吻合程度较好。在此基础上,探讨Weibull分布参数及Hoek-Brown准则中参数对岩石损伤本构模型的影响,对实际工程中适用于该准则的岩石有较好的参考价值。     

非贯通裂隙介质单轴受力条件下的损伤本构关系探讨

在对裂隙与孔隙、微裂隙两类不同层次损伤的演化特征与相互关系进行试验研究与分析的基础上，分别确定了表征这两类损伤的奇异损伤变量和分布损伤变量，推导了单轴压缩条件下非贯通裂隙介质损伤本构方程，并运用试验结果对其进行了验证。     

冻结裂隙砂岩单轴压缩损伤特性CT试验

对含有预制双裂纹的冻结裂隙砂岩试样单轴压缩细观损伤破坏机理进行了CT动态试验，得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成和破坏等不同阶段的岩石损伤CT图像和CT数。研究结果表明，与无预制裂隙的冻结岩石试样相比，已有预制裂纹对冻结裂隙岩石中新裂纹的起裂侮置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响。预制裂纹的存在导致冻结裂隙砂岩试样的扩容量大于完整冻结试样破坏时的扩容量。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。