裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。     

基于细观力学的脆性岩石长期蠕变失效研究

蠕变特性是评价岩石长期失效特性的重要依据。基于岩石细观力学模型及裂纹扩展法则,结合细观裂纹长度与宏观应变定义损伤之间的联系,建立细观裂纹扩展与宏观应变之间的关系,并给出岩石的应力–应变关系及三级蠕变演化表达式。研究岩石渐进失效过程中不同围压下的应力–应变关系,并分析分级加载下的蠕变演化规律,其结果与试验结果吻合较好,验证了提出的细观模型的合理性。然后,对不同常应力状态下的蠕变失效时间与稳态蠕变率进行研究,其结果对高地应力下地下支护结构的设计及服役寿命的评估具有重要指导意义。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

北山花岗岩细观非均质性对单轴压缩力学特性影响的FDEM数值研究

为了研究细观非均质性对北山花岗岩中微裂纹萌生、扩展和贯通等破裂过程的影响,基于有限元/离散元耦合方法(FDEM)和数字图像处理技术(DIP),结合矿物晶体模型(GBM),分别构建3类北山花岗岩细观结构表征模型：聚类均布模型、Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型。基于3类模型开展了单轴压缩试验研究,探究细观非均质性对北山花岗岩力学特性、声发射(AE)特征以及颗粒尺度裂纹扩展规律的影响。研究结果表明：3类模型均能捕获从微破裂损伤至宏观破裂的演化过程,即首先以晶间张拉裂纹为主,随后产生穿晶断裂,转变为以晶内裂纹为主,张拉破坏占主导地位;细观结构表征方式对模拟岩石的特征应力(启裂应力和损伤应力)控制效应非常显著;Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型的AE特征与室内试验更为吻合;硬矿物含量的增大,会导致单轴抗压强度、特征应力和弹性模量增大,而泊松比反之;颗粒尺寸的增大,会导致单轴抗压强度和损伤应力明显减小;特征应力与刚度非均质性因子呈负相关。     

预压脆性岩石动态宏细观力学模型研究

预压应力脆性岩石动力特性研究,对深部地下工程围岩变形评价有重要实践意义。细观裂纹扩展严重影响预压脆性岩石动态力学行为。基于细观裂纹扩展与应力关系模型、裂纹速率与动态断裂韧度模型、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与应变关系模型,提出了一种考虑预压轴向应力及围压的脆性岩石承受动态荷载作用下的宏细观力学模型。其中裂纹速率与应变率关系模型是通过对应变相关的裂纹长度求解时间导数获得。应变率与应变关系模型描述了预压岩石动态荷载导致的应变率随应变演化曲线。研究了不同预压轴向应力及应变率影响下的脆性岩石应力-应变关系曲线,并利用试验结果验证了模型的合理性。讨论了围压、初始裂纹尺寸、初始裂纹角度、及初始裂纹摩擦系数对预压应力岩石的动态应力应变关系、预压裂纹长度、预压轴向应变、及动态峰值强度的影响。主要研究结果:预压应力越小、围压越大、初始裂纹面尺寸越小或初始裂纹摩擦系数越大,则预压轴向应变及裂纹长度越小,且预压岩石动态强度越大。     

脆性岩石各向异性损伤和渗流耦合细观模型

采用细观力学方法提出一个岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。其中,岩石的损伤由裂纹的状态变量来表示,损伤演化通过裂纹扩展准则来定义,并采用细观力学的分析方法由含裂纹材料的自由熵推导出裂隙岩石的本构方程。同时可以假设：由于裂纹表面的粗糙不平,在裂纹扩展的同时将引起法向开度的产生,这是材料渗透系数变化的主要原因,根据上述假设及达西定律和微观层流理论,推导出岩石特征体积单元的渗透系数表达式,从而建立岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。模拟分析表明,提出的模型与试验结果吻合很好。     

岩石宏、细观损伤复合模型及裂纹扩展规律研究

通过假设微元具有破坏、损伤和无损3种状态,损伤和破坏可以用无损的程度表示;把细观损伤理论和宏观统计损伤模型结合,建立应力-应变与微裂纹密度变化的关系;分别运用Taylor方法、广义自洽法和Taylor介质法,通过计算实例分析岩石应力-应变过程中裂纹密度的发展变化规律,讨论特征点处的裂纹密度变化特点及计算方法的影响,尝试利用细观损伤理论确定岩石残余强度,得出岩石非线性性质是裂纹密度发展速度的宏观表现等结论.     

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。     

基于TOUGHREACT的岩石水力损伤耦合数值模型研究

从细观力学角度出发,充分考虑水-力耦合条件下岩石细观特征及其演化,结合热力学理论,建立基于TOUGHREACT的岩石细观水力损伤耦合数值模型。模型可较好地考虑任意微裂纹滑移剪胀、损伤扩展和法向压缩闭合等细观力学行为对岩石宏观变形破坏、渗透性演化和水流运动过程的影响。采用室内煤岩注水破坏试验成果对数值模型的正确性和有效性进行验证,进而开展现场尺度下岩石注水响应的应用模拟研究。模拟结果表明,注水引起的岩石损伤与压力增高区的分布同时受注入流量、现场应力水平与初始微裂纹各向异性分布等因素的影响。岩石宏观水力耦合响应的模拟有赖于内部微裂纹结构的准确表征。研究成果对深化岩石水力耦合研究具有一定参考意义。     

岩石裂纹扩展诱发的强度弱化模型研究

岩石应力应变本构关系对于判断岩石强度、变形力学特性有着重要的意义,细观裂纹对岩石力学特性又有着重要的影响。基于细观裂纹扩展模型,将裂纹角度影响引入模型,并结合宏细观损伤定义联系,建立了一个考虑裂纹角度影响的轴向应力应变本构模型,并解释了围压与轴向应变本构关系,分析了裂纹贯通与岩石失效极限应变之间的联系,然后将该本构模型,与常规压缩试验与循环加卸载试验对比分析得到的试验规律相结合,提出了一个岩石内部裂纹扩展、变形损伤作用下岩石压缩强度弱化模型。并通过将不同围压下的裂纹启裂应力试验值和理论公式相结合,预测了模型中难以试验直接获取的关键参数μ,a,β,φ。其中初始裂纹尺寸a与裂纹角度φ,是由真实岩石中随机分布裂纹尺寸、角度平均化思维获取。随着裂纹扩展或应变增加,岩石压缩强度开始保持不变,当岩石达到一定损伤后不断降低。该强度弱化模型的应用,为地下工程围岩稳定性评价提供了一个重要的理论支持。     

岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。     

岩石损伤扩展特性的实验分析及其本构关系与数值模拟研究

摘要从岩石损伤CT细观实时实验观测到的裂纹扩展机理出发,对比分析宏观实验结果,得出正确合理的岩石损伤扩展的物理力学机制,基于岩石损伤演化的物理力学机制对岩石宏观破坏应力-应变全过程曲线进行分段,建立合理的分段岩石损伤本构模型和损伤演化方程,并给出相应的数值模拟方法.基于上述认识,完成了以下工作:博士学位论文 TESTING ANALYSIS AND NUMERICAL SIMULATION ON DAMAGE PROPAGATION CHARACTERISTICS OF ROCK AND ITS CONSTITUTIVE MODEL     

基于单轴压缩的岩体破坏机制细观试验研究

 岩石在荷载作用下产生宏观破坏,其断裂面的细观形态变化,可以间接地反映岩石内部损伤演化进程,并与其宏观力学状态和结构破坏特性之间存在必然联系。主要对巴西劈裂试验和剪切试验试样的断裂面进行电镜扫描,总结典型力学特征下试样断裂面的细观形貌特征,建立裂纹断裂面细观形貌与宏观力学特性匹配的判断标准。进而对含不同倾角预制单裂纹试样单轴压缩试样的破坏全断面进行细观扫描分析,采用判断标准对其细观形貌判别,得到断裂面的拉剪应力分布权重,探究断裂面拉、剪应力分布随裂纹扩展过程的变化规律。试验结果表明：全断面拉剪应力权重与预制裂纹倾角有密切关系。预制裂纹倾角小于45°时,断裂面以拉应力为主,且随着裂纹扩展拉应力权重逐渐减小,剪应力权重逐渐增大;当裂纹倾角大于45°时,其结论与前述结论相反;预制裂纹倾角为45°时,拉、剪应力共同作用产生翼裂纹及次生裂纹2种扩展方式,翼裂纹扩展由拉应力主导向剪切应力主导过渡,次生裂纹扩展过程中主导应力变化规律与之相反。     

基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明：通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。     

岩石细观结构量化试验研究

岩石是一种多尺度材料,以往的研究大多是在宏观尺度下进行的,由于岩石在外部荷载作用下的断裂乃至破坏是由于处于细观尺度的微裂隙的增长和贯通引起的,所以对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于了解和研究岩石的力学性质有一定的意义.首先,基于损伤理论建立一套岩石细观量化试验方法,利用扫描电镜对四川锦屏大理岩进行观测,得到大量岩石细观结构图片.基于数字图像处理理论,利用区域生长算法对图片进行处理,并编制相关程序实现图像增强和图像分割,从分割后的二值化图像中提取微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等细观信息.然后,利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行统计分析,得到各参数的统计规律,进一步利用Monte Carlo理论模拟岩石细观结构体积表征单元.最后,依据几何损伤理论得到岩石细观结构体积表征单元的初始损伤张量,将其引入到G.Swoboda的损伤理论中,模拟得到单轴压缩试验和常规三轴压缩试验的应力-应变关系,并与实际试验的结果进行比较.结果显示可以较准确模拟2种力学状态下的应力-应变关系.     

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。     

锦屏一级地下厂房大理岩变形破裂细观演化规律

脆性大理岩的变形破裂与其内部微裂纹的扩展贯通密切相关,其宏观力学响应取决于细观结构构造;因岩石内部的封闭性,难以掌握其内部微裂纹的发育演化机制。基于三维颗粒流理论,通过引入 BPM 模型和超级单元clump技术,并依据锦屏一级地下厂房大理岩的SEM矿物成份检测结果,建立基于矿物形状的大理岩细观结构模型,在对细观力学参数敏感性分析的基础上,根据室内单轴和三轴压缩试验结果确定大理岩的细观力学参数,构建大理岩的细观力学数值模型,对不同应力状态和应力路径下大理岩的变形破裂演化及扩容孕育过程进行数值模拟分析。研究结果表明：大理岩细观力学数值模型所描述的宏观力学响应与室内试验结果具有很好的一致性;单轴或低围压时微裂纹呈缓慢-急增的指数型增长趋势,高围压时微裂纹呈缓慢-急增-缓慢的近似S型增长趋势;随着围压的增加,张拉裂纹所占比例逐渐减少,剪切裂纹所占比例逐渐增加;与相同初始围压时的加载应力路径相比,卸载应力路径下岩石峰值应力对应的轴向应变小,张拉裂纹所占比例高,且随卸载过程逐渐起主控作用,最终形成张性宏观破裂面,体现了大理岩卸荷扩容效应更为显著且脆性更强。在不同应力状态和应力路径下,张性裂纹扩展控制机制和剪切裂纹摩擦控制机制相互作用,此减彼增逐步过渡。研究结果从细观尺度上揭示锦屏一级大理岩扩容孕育机制,为正确认识和把握锦屏一级地下厂房洞室群施工期围岩大变形形成机制以及岩体卸荷破裂规律提供基础。     

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。