层状复合岩石损伤本构关系与断裂破坏准则及工程应用研究

 首次利用高倍扫描电镜系统地研究了构成层状复合岩石的三种典型岩石——灰岩、砂岩、泥岩的微观结构形态, 利用岩相学和显微构造理论深入分析了岩石内微观晶体结构、微孔隙、微裂纹的结构、构造、分布及其特征。结合实验应力测试分析及岩石损伤演化发展过程, 建立了岩石的“微结构模型”。建立了一套高灵敏低噪声岩石微损伤声测系统, 首次拾取到岩石内加载初期的微损伤萌生声信息, 并记录再现了单一岩石和复合岩石整个损伤演化过程和完整波形。提出了用三条曲线描述的单轴压缩岩石应力应变损伤全过程破坏曲线, 同时给出了描述其整个损伤演化过程的损伤演化方程式。在微结构模型和单一岩石损伤演化律方程的基础上, 导出了含3 层及含任意多层的复合岩石3 维非线性损伤本构方程和损伤演化方程, 结果与实验相吻合。由此进一步分析了损伤演化与破坏失稳特征, 进而导出复合岩石的破坏失稳准则。针对复合岩石的特殊性质, 深入研究了层状岩体中, 层间胶合强度、层面粗糙度、分层岩石的组合、应力状态、大小、方向等与复合岩石整体的应力、变形、强度及稳定性的关系, 获得了有益的结果。通过现场层状复合岩石性态的研究, 采用有限元计算方法及现场观测技术, 对采空区顶底板复合岩层的应力场、位移场分布、底板岩层的变形及顶板岩层的损伤扩展与断裂下沉破坏进行了多方面的研究, 找出了它们的特征和规律性, 计算结果与现场实测结果吻合较好。     

三维层状复合岩石损伤本构关系的研究

对常见层状复合岩石的损伤结构与本构关系进行了研究。电镜微观研究表明了其微观结构与微孔隙特征，导出各分层在不等围压、不同有效应力、不同参数及不同损伤演化过程下的三维非线性损伤本构方程与演化方程，并通过实验得到较好验证。     

裂隙岩体动态损伤演化与体积扩容方程

 与时间相关的岩石扩容现象源于岩体内部大量微裂纹的张性扩展。从断裂力学的裂纹研究出发,探讨不均匀加卸载过程中,岩体内部微裂纹在应力集中源附近的局部拉应力作用下,裂隙萌生和扩展的动态过程,并利用散布损伤力学手段描述裂纹体系的动力行为,建立起微观断裂与宏观扩容之间的联系。试验结果分析表明：本文所建立的扩容方程能够有效地描述加卸载过程中裂隙岩体的动态损伤演化和体积扩容全过程,与已有的形变方程一同构成深部岩体变形破坏动态本构模型的完备方程组。     

岩石微结构与微裂纹的损伤演化特征

利用电子显微镜对岩石微结构及晶胞进行了研究。由微结构断裂所需耗散能分析计算了岩石微裂纹演化与分形特征。结合加载类型分析了岩石裂纹扩展的形式、方向，解释了岩石损伤演化的规律。研究表明：从微孔隙延伸成微裂纹，再扩展成宏观裂纹，其扩展速度、方向和产生数量主要取决于微结构中微元件的矿物组分、排列组合方式及组合密度，以及外载荷大小、方向及其比值、应力状态与加载速率等。     

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…     

单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究

利用作者已研制成功的CT机专用三轴加载试验设备,守成了单轴压缩荷载作用下岩石损伤CT实时细观试验。给出了CT图像中裂纹宽度的估算方法,确定了应力损伤门槛值,对CT试验结果进行了定量分析,得到了单轴压缩岩石损伤演化的初步规律。基于CT试验结果,对岩石应力-应变全过程曲线进行了分段,从工程应用出发,给出了峰前分段岩石损伤演化方程及本构关系。理论分析结果与试验结果较吻合。     

冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的研究

 针对寒区工程结构的冻融受荷岩石,提出冻融损伤、受荷损伤与总损伤的概念,拓展损伤变量的内涵;以岩石的初始损伤状态为基准状态,充分考虑岩石细观结构的非均匀性,运用损伤力学理论及推广后的应变等价原理,建立冻融受荷岩石损伤模型;通过损伤变量及本构方程来描述岩石材料细观结构的损伤演化及其宏观损伤行为,与岩石实际冻融破坏情况符合较好。研究结果表明：寒区工程结构的受荷岩石,其力学性能由冻融因子、荷载因子及其耦合效应所决定;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并表现出明显的非线性特征,而其耦合效应使总损伤有所弱化;岩石的岩性和初始损伤状态确定各影响因素的权重,表现出不同的损伤扩展特性;相比而言,砂岩对冻融循环更敏感,而受荷损伤最终导致页岩破坏。     

岩石损伤流变理论模型研究

分析了岩石的多孔隙特性、强度实验的全应力-应变曲线、蠕变特性曲线和松弛特性曲线.提出两条基本假定在极慢速度加载过程中,损伤与外界所做的功成正比;损伤的速率和内平衡状态下的损伤与实际损伤之差成正比.推导了适合于任何应变不减小的加载和卸载过程的损伤演化统一微分方程.给出了几种情况下的计算特性曲线,不仅曲线形状与实测曲线相同,而且在定量关系上也与实际相符,这充分说明了假设的合理性和损伤演化方程的正确性.该损伤演化方程只有三个材料常数,而且这三个常数都可以很容易地根据实验数据确定.该方程对于认识岩石的力学性质有重要意义,对岩石力学的发展及各种岩石工程实际问题的解决都有重要的推动作用.     

岩体爆破的损伤统计演化理论模型

将实际爆破工程中的岩石爆破作为岩体工程的范畴，讨论岩体爆破的一般特点，并从岩体初始结构弱面的统计特性和爆破后的块度分布特征出发定义一种新的岩体损伤变量。将损伤变量与裂隙的分形维数相联系，构造一种岩体爆破统计损伤的演化理论模型。这种损伤量的定义满足完整岩石的损伤值为0，爆破以后岩体的损伤值为1。通过对该模型的初步计算分析表明，此模型具有清晰简明的特点和一定的实际应用价值。     

岩石损伤力学理论研究进展

首先回顾了岩石损伤理论的发展历史,并简单介绍了岩石损伤力学的研究内容。详细讨论了如何从宏观及微观角度定义损伤变量以及各自的优缺点,接着介绍了一些损伤演化方程的确立,最后介绍了近年来在损伤本构方程方面的研究。     

软岩及混凝土材料损伤型黏弹性动态本构模型研究

 根据软岩及混凝土材料在动载下的应力–应变曲线特点,并结合损伤体与黏壶所具有的特性,建立一种适合软岩及混凝土材料的损伤型黏弹性动态本构模型方程。该模型的建立是以朱王唐模型为基础,采用损伤体代替朱王唐模型中的弹性元件对现有损伤型朱王唐模型进行改进而建立的一种损伤型黏弹性动态本构模型方程。为说明该模型方程的合理性,采用建立的本构模型方程对分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统下实测的应力–应变曲线进行拟和,拟和曲线和实测曲线具有很好一致性,因此,该模型可为软岩及混凝土材料的动态本构关系的进一步研究及其工程应用提供一定的参考。     

岩石损伤和破碎相关性的分形分析

应用先进的实验技术和分形几何方法研究了岩石损伤与岩石破碎。结果表明：岩石初始损伤与岩石破碎有着较强的相关性,可以用分形几何来定量地表征。这意味着有可能通过分析岩石结构中初始缺陷分布,来预测岩石破碎后碎块的尺度分布规律,为岩石破碎理论研究新的途径。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

红山窑膨胀岩的膨胀和软化特性及模型研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的岩基红砂岩岩芯为例，采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪，对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明，红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数形增长。由于吸水率的变化，膨胀岩的弹性模量、泊松比和屈服极限等力学性能都将发生变化，即所谓软化现象，从而膨胀应力、塑性流动以及随湿度场而变化的屈服准则等都是相互耦合的。基于试验结果，提出考虑膨胀岩膨胀及软化特性的弹塑性本构模型。     

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。     

具有统计损伤的岩石弹塑性本构模型研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了岩石的弹塑性损伤统计本构模型，在该模型中采用了总体应变与各组成相间应变关系与总体应力与各组成相间应力关系不一样的假设，并用最优化方法确定该模型参数。建立的模型能够反映岩石破坏前应力．应变关系和轴向应变．横向应变关系，与试验结果比较表明该模型是合理的。