含预制裂纹岩石试样在动载荷作用下破裂模式的数值模拟

本文利用岩石破裂过程分析系统（RFPA）研究了含有不同角度预制裂纹的岩石试样在动态载荷作用下的破坏过程。数值模拟表明：应力峰值较小时,试样的破裂模式与静态载荷作用下的破裂模式相似;应力峰值较大时,试样的破坏区主要集中在试样顶端。在相同的应力峰值务件下,试样的最终破坏模式基本不受预制裂纹的倾角的影响。数值模拟得到的破裂模式与实验结果比较吻合。     

动态荷载作用下混凝土破裂的数值模拟

简单介绍了材料破裂过程分析(MFPA)程序模拟混凝土动态破裂过程的基本原理.用MFPA程序模拟了非均质混凝土在静态和动态应力作用下的破裂过程,给出了不同应力波幅值时试样的破裂模式,并探讨了应力波幅值和应力波作用时间对混凝土破裂模式的影响.数值模拟结果表明,动态荷载作用下混凝土的破裂过程受控于应力波传播及其诱发损伤的过程,混凝土材料力学性能的非均质性是造成其动态强度提高的原因之一.     

含孔洞岩石试样三维破裂过程的并行计算分析

岩石破裂过程中裂纹的萌生、扩展、贯通和相互作用都呈空间三维分布，采用三维数值模拟才能更真实地模拟岩石的破裂过程。基于东北大学的大规模并行计算环境，利用 RFPA ^3D -Parallel 程序进行了含孔岩石试样在单轴、双轴和三轴加载条件下破裂过程的数值模拟。数值模拟表明：①数值模拟再现了单轴载荷作用下孔洞周边裂纹区的分布规律，这证实了数值模拟程序的正确性；②在双轴压缩载荷作用下，试样的承载能力的提高非常有限，含孔试样的破裂模式为劈裂破裂，破裂面大致平行于加载平面；③在三轴压缩条件下，试样的承载能力大幅度提高，试样的破裂模式与最大主应力的作用方向有关，在平行于孔轴的高压应力和侧向约束条件下孔周围岩才会发生分区破裂。     

动载荷条件下波长对岩石试件破坏模式影响的数值模拟

简单运用岩石破裂过程分析RFPA系统研究了均匀与非均匀岩石试样杆在不同波长冲击载荷作用下的剥落过程。数值模拟较好地再现了均匀岩石试样杆在不同应力波波长条件下的不同破坏模式,且数值模拟结果与解析理论结果具有较好的一致性。并在此基础上,进一步研究了非均匀性岩石试样杆在不同波长的冲击载荷作用下的剥落形式及其与均匀岩石试样杆破坏模式的差异。结论表明:RFPA程序能够较好地模拟均匀与非均匀杆在不同应力波波长作用下发生剥落破裂的过程;试件破坏模式不仅与断裂的强度有关,还与作用在试件上的持续时间有关;试件的破裂不仅与应力波的峰值以及波长有关,而且还与岩石的非均匀性密切相关。     

卸载岩爆过程数值试验研究

 为探讨岩石试样卸载岩爆的发生机制,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)再现岩石试件卸载发生失稳破坏的过程。根据花岗岩的基本力学参数,首先对方形岩石试样进行单轴加载破坏的二维数值试验,然后在双向载荷条件下进行了基于同等试样的围压卸载试验模拟。数值试验结果表明：(1) 单轴加载试验与卸载失稳试验的岩石破坏机制和破坏模式存在很大差异。(2) 单轴加载试验的破坏过程以渐进式的微破裂发展为主,且微破裂主要集中在局部破裂面上;在发生主破裂之前,有许多微破裂前兆声发射现象出现,是典型的渐进破裂诱发失稳的岩爆模式。(3) 双轴加载时的围压卸载试验中岩样卸荷破坏时脆性特征更加明显,主要以突然、高密度的能量释放为主;同时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征,破坏模式则以大面积剪切破坏与局部拉裂破坏为特征的组合破坏模式;与单轴加载的情况相反,在主破裂发生前,几乎没有任何微破裂前兆,是典型的瞬时岩爆的破坏模式。     

岩石在动载荷作用下的脆性破裂

本文用科普凯因森压力杆方法研究了岩石在动载荷作用下的破裂性质。当入射的应力波幅值高于岩石的初始破裂应力波幅值时,岩石试件便开始破裂,应力波的幅值发生衰减。通过岩石试件的能量有一个最大的极限,该极限实质上是一个应力幅值的极限。应力波幅值高于该极限就不能通过。可用破裂岩石试件中应力波的衰减决定岩石的脆度。     

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

 为研究岩石在冲击荷载作用下岩石的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆(SHPB-Split Hopkinson Pressure Bar)试验中动态破裂全过程进行了数值模拟分析研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,与试验结果有较好的吻合。对裂纹产生的力学机理、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明：(1) 改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2) 巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3) 主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4) 试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。     

复杂预应力路径和异源动力扰动下岩石破裂机制研究

地下工程围岩承受载荷的形式为真三轴卸–加载后的扰动载荷,在频繁扰动载荷作用下围岩易出现物理力学性能劣化,进而诱发岩爆等工程灾害。基于地下工程围岩复杂受力环境,利用自制的岩石真三轴扰动诱变试验系统,开展复杂真三轴预应力路径和局部异源扰动载荷作用下花岗岩破裂试验。试验结果表明,在特定的应力状态下,在较大幅值的局部异源扰动载荷下花岗岩发生剧烈破坏,破裂模式为劈裂拉伸破坏。利用PFC3D精确再现室内试验并研究岩石扰动破裂的微观机制,研究结果表明:岩石内部的颗粒黏结从扰动载荷作用处开始破坏,当扰动载荷的幅值为150,200,250 k N时,破坏颗粒黏结数趋于稳定,最终岩石未发生整体破坏;但扰动载荷幅值等于300 k N时,破坏黏结数从施加扰动载荷位置扩散至试件整体,岩石扰动破坏由剪切破坏逐渐转变为拉伸破坏,最后发生试件整体破坏,室内试验与数值模拟结果相一致。     

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究

 在分析单轴压缩试验岩石Kaiser效应机制的基础上,建立岩石在点荷载作用下对先前应力记忆效应的理论表达式,采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D对14种不同尺寸和力学参数的试件进行数值模拟,模拟结果表明,岩石点荷载声发射试验能够反映岩石先前应力状态,点荷载加压出现声发射时的点荷载值与岩石先前所受应力值成正相关关系。为了进一步验证上述结论,对5个岩石试件进行单轴压缩加载、卸载后用点荷载重新加载的循环试验,得到与数值模拟相同的结论,研究成果为工程现场地应力值估算、评价提供新的研究方法。     

动载荷作用下含偏置裂纹 三点弯曲梁破坏过程的数值模拟

 偏置裂纹三点弯曲梁被广泛应用于研究I–II复合型裂纹的扩展过程。利用岩石破裂过程分析(RFPA)程序，对含偏置裂纹三点弯曲梁在动载荷作用下的破坏过程进行数值模拟，研究偏置裂纹的位置(用g 来表达)对三点弯曲梁破坏模式的影响。数值模拟结果表明：当g ≤0.745时，偏置裂纹尖端首先起裂，并沿着一定的角度向上扩展，最终贯通整个试样的高度；当g ＞0.745时，在偏置裂纹发生扩展的同时，在梁底部中心位置也萌生出一条中心裂纹，但最终只有中心裂纹贯通整个试样的高度。数值模拟在现了实验中观测到的2种典型破坏模式及其对应的临界g 值。     

Numerical simulation of Brazilian disk rock failure under static and dynamic loading

A numerical simulator based on RFPA (Rock Failure Process Analysis) is used to study the deformation and failure process of a Brazilian disk of heterogeneous rock when subjected to static and dynamic loading conditions. In this simulator, the heterogeneity of rock is considered by assuming that the material properties of elements conform to a Weibull distribution; an elastic damage-based law that considers the strain-rate dependency is used to describe the constitutive law at mesoscopic scale; and a finite element program is employed as a basic stress analysis tool. The simulator is firstly validated by simulating the dynamic spalling of a homogeneous rock bar and by comparing with the theoretical and experimental results. Then, the failure process of a Brazilian disk of rock subjected to static and dynamic loading is numerically simulated, and the numerical results are compared with the available experimental results. Particular attention is given to the typical failure patterns of the rock disk when the incident compressive stress waves with different amplitudes are applied. The numerical simulation also identifies the failure mechanisms of rock during dynamic failure processes that are closely related to the propagation of the stress wave.     

高温后砂岩静、动态力学特性研究与比较

 通过在SHT4206电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统上对高温作用后砂岩分别进行静、动载荷加载试验,系统地分析比较了热作用后砂岩在静、动载荷加载下的破坏模式、峰值强度和峰值应变的差异,并从微观角度探讨温度对岩石力学性质的影响。研究结果表明：(1) 高温后砂岩的动态力学特性与静态力学特性相比变化显著,随着温度的升高,静载荷时岩石破坏模式表现为劈裂破坏并伴随着脆性断裂,而动载荷作用时岩石破坏模式表现拉伸破坏;(2) 静、动载荷作用下的峰值强度随着温度的升高而明显降低,且基本呈线性关系,静载荷作用下,平均峰值强度从126.37 MPa降到64.76 MPa,降低幅度为48.8%,动载荷作用时,平均峰值强度从176.3 MPa降到83.1 MPa,降低幅度达到了52.9%;(3) 静、动载荷作用下的峰值应变都随温度的升高而增大。温度引起的热应力和微结构的变化导致砂岩力学性质发生改变,以及不同加载方式引起试样内部孔隙扩展和微裂纹的生成方式不同,导致其抵抗外力变形的能力存在差异。     

含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析

利用新近开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程,从细观角度分析了不同宽度不连续面的岩石巷道在动力扰动下破坏的规律,并和未含不连续面巷道结构的相应情况进行比较,探讨了含不连续面巷道结构在动载荷作用下的力学特性,结果表明不连续面对应力波衰减作用明显,对巷道的稳定与破坏影响较大.     

循环荷载作用下脆性材料剪切性能试验研究

在自制的MTS振动台试验设备上对混凝土、岩石类脆性材料（砂浆材料）进行静力和动力剪切试验,试验结果表明,（1）动力荷载情况下位移-剪力包络线形状同静力荷载情况下曲线破坏形状相似,均可划分为相同的4个阶段;（2）在相同垂直压力作用下试件的动力抗剪强度与静力抗剪强度相比有明显的增大趋势,强度较低的试件强度增加较大;（3）在相同频率情况下,随着垂直压力的增大,峰值剪切强度、残余抗剪强度随之增大;（4）静力荷载情况下其破坏处水平位移要大于动力荷载情况下破坏处的水平位移,其他条件相同时破坏处水平位移值随峰值抗剪强度的增大而增大;（5）剪切过程中有明显的剪胀现象出现。最后根据试件的破坏形状,初步分析混凝土、岩石类脆性材料的动静态剪切特性的机制。     

应力波作用下三点弯曲梁破坏过程数值模拟

岩石类准脆性材料三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏受应力波加载速率以及应力波峰值的影响。使用新发展的并行RFPA2D-Dynamic数值模拟工具对三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏过程进行了数值模拟,研究了不同加载速率和加载峰值的破坏规律。数值模拟结果与物理实验结果具有较好的一致性。在低加载速率下,三点弯曲梁发生拉伸破坏,且只出现一条裂纹;在较大加载速率时出现多条平行拉伸裂纹;在大加载速率时出现拉伸、剪切复合裂纹。应力波峰值较小时形成单一的拉伸裂纹,而随着加载峰值的提高,形成多条平行拉伸裂纹。     

Strength degradation of sandstone and granodiorite under uniaxial cyclic loading

Change in mechanical properties of rocks under static loading has been widely studied and documented. However, the response of rocks to cyclic loads is still a much-debated topic. Fatigue is the phenomenon when rocks under cyclic loading fail at much lower strength as compared to those subjected to the monotonic loading conditions. A few selected cored granodiorite and sandstone specimens have been subjected to uniaxial cyclic compression tests to obtain the unconfined fatigue strength and life. This study seeks to examine the effects of cyclic loading conditions, loading amplitude and applied stress level on the fatigue life of sandstone, as a soft rock, and granodiorite, as a hard rock, under uniaxial compression test. One aim of this study is to determine which of the loading conditions has a stronger effect on rock fatigue response. The fatigue response of hard rocks and soft rocks is also compared. It is shown that the loading amplitude is the most important factor affecting the cyclic response of the tested rocks. The more the loading amplitude, the shorter the fatigue life, and the greater the strength degradation. The granodiorite specimens showed more strength degradation compared to the sandstone specimens when subjected to cyclic loading. It is shown that failure modes of specimens under cyclic loadings are different from those under static loadings. More local cracks were observed under cyclic loadings especially for granodiorite rock specimens.     

动力扰动下侧压系数对卸压孔与锚杆支护的研究

为探讨各因素对深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的影响机制,利用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D-Dynamic模拟了巷道支护模型在动力扰动作用下围岩应力场的分布规律、巷道破坏形态特征。通过分析得到动静组合加载下不同侧压的巷道围岩应力重分布的一般规律,并从破坏单元声发射能量释放的角度分析了动静组合加载对围岩的损伤效应。研究指出,侧压系数λ是静态和动态扰动作用下巷道围岩应力重分布的主控因素;高围压条件下,动力扰动成为触发巷道破裂失稳的主要诱因,且动力扰动作用对不同围压的巷道围岩破坏形态的影响各不相同。