岩样直剪应力-应变全程曲线研究

基于直剪试验机–岩样系统加载过程中各组成部件不同受力特点,运用功能原理,建立联合作用下的一维剪切实测应力–应变曲线全过程的参数方程,推导岩样失稳破坏判据和系统回跳条件,指出试验机–岩样系统弹性区段的存在是造成实测剪应力–剪应变曲线与岩样真实直剪本构曲线不一致和产生岩样失稳破坏、系统回跳现象的主要原因。通过算例分析剪切带宽度和试件高度对实测直剪应力–应变全程曲线的影响关系。分析结果表明,加载系统弹性受力区段越长,局部化剪切带宽度越小,实测软化段曲线就越陡,加载系统就越不稳定,越容易出现系统回跳现象,且在加载过程中岩样就会越早发生脆性破坏。     

岩石I类和II类曲线形成机制的弹塑性细胞自动机分析

基于弹脆塑性理论和细胞自动机自组织理论相结合来模拟岩石试样的应变软化行为,对岩样单轴压缩破坏过程中产生I类和II类曲线的机制进行模拟分析,利用应力-应变线性组合的控制加载方式,分别考虑不同的均质度和不同的加载控制参数的情况,并模拟非均质岩石单轴压缩破坏过程的I类和II类曲线。研究结果表明,当采用应力-应变线性组合的控制加载方式时,I类和II类曲线的出现与岩石试样的均质度和加载控制参数有很大的关系,均质度越大,岩石脆性越强,峰后越趋向于形成II类曲线;同一种岩石试样,采用不同的线性组合参数,岩样既可以表现为I类行为,也可表现为II类行为。     

岩石I类和Ⅱ类曲线形成机制的弹塑性细胞自动机分析

基于弹脆塑性理论和细胞自动机自组织理论相结合来模拟岩石试样的应变软化行为,对岩样单轴压缩破坏过程中产生Ⅰ类和Ⅱ类曲线的机制进行模拟分析,利用应力-应变线性组合的控制加载方式,分别考虑不同的均质度和不同的加载控制参数的情况,并模拟非均质岩石单轴压缩破坏过程的Ⅰ类和Ⅱ类曲线.研究结果表明,当采用应力-应变线性组合的控制加载方式时,Ⅰ类和Ⅱ类曲线的出现与岩石试样的均质度和加载控制参数有很大的关系,均质度越大,岩石脆性越强,峰后越趋向于形成Ⅱ类曲线;同一种岩石试样,采用不同的线性组合参数,岩样既可以表现为Ⅰ类行为,也可表现为Ⅱ类行为.     

损伤与破裂岩样力学特性试验研究

深地矿产资源开发中所要面对的是与浅部巷道有着本质性差异的破裂围岩,破裂围岩的力学特性与完整岩石差异性较大。为探究损伤和破裂岩石的力学行为,提出采用同时卸除轴压与围压的三轴卸荷试验来制备损伤和破裂岩样的试验方法,定义一种基于弹性模量的劣化和考虑塑性变形影响的适用于描述岩石损伤破裂行为的表观损伤破裂变量。采用MTS 815岩石力学试验系统开展峰前、峰值、峰后及残余等8个卸载点的三轴卸荷试验,获得不同损伤破裂度的岩样。通过开展损伤与破裂岩样再承载特性的三轴压缩试验,揭示了损伤和破裂岩样的峰值应力、强度与变形参数、扩容特性与围压及损伤破裂度间的变化规律。试验结果表明,不同损伤破裂度岩样的三轴再加载试验应力–应变曲线仍具有完整岩样常规三轴压缩试验的五阶段,但高损伤破裂度岩样的峰后软化段曲线逐步平缓,表现出一定的塑性变形特性。岩样的峰值应力、强度和变形参数与围压呈正相关,围压对岩样的体积扩容具有显著的抑制作用。随着岩样损伤破裂度的增大,卸荷后再加载岩样的体积应变越易产生扩容现象,岩样的峰值应力、弹性模量随之降低,而广义泊松比随之增大。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石变形局部化分析及其应力-应变全过程研究

岩土工程的开挖卸荷往往产生拉应力，因此研究单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石的变形局部化和全过程应力．应变关系具有重要的理论和现实意义。利用损伤力学理论研究了岩石在线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落、应变软化阶段的拉伸应力．应变关系，并分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果的对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石本构关系研究

用损伤力学理论研究了细观非均匀性岩石拉伸应力应变关系(包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降阶段、应变软化阶段) ,分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过和试验成果对比分析验证了模型的正确性和有效性。     

软化模量对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数。研究了软化模量对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别为线弹性模型及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。结果表明,随着软化模量(脆性)的增加,剪切带倾角由Arthur向Coulomb倾角转变,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此不能解释,可能是未考虑渐进破坏;剪切带宽度降低,这可采用基于梯度塑性理论且考虑剪胀的剪切带宽度的公式予以定性的解释;岩样可以达到的最小体积增加;岩样失稳破坏的前兆越来越明显;峰后的轴向应力–轴向应变曲线、轴向应力–侧向应变曲线、侧向应变–轴向应变曲线、泊松比–轴向应变曲线及体积应变–轴向应变曲线均有稍微变陡峭的趋势,可采用基于梯度塑性理论的单轴压缩岩样受到剪切破坏时的解析解对前2种曲线的数值解的合理性进行定性的解释。     

基于梯度塑性理论的岩样峰后变形特征研究

提出了单轴压缩的岩样在受到剪切破坏条件下的全部变形特征,即轴向、侧向、环向、体积应变及峰后泊松比的解析式。弹性应变采用虎克定律描述;塑性应变依赖于局部化带尺寸,由梯度塑性理论确定。在弹性及应变软化阶段,由于分别采用了线弹性及线性应变软化的本构关系,轴向应力-轴向应变曲线、轴向应力-侧向应变曲线、轴向应力-体积应变曲线及轴向应变-体积应变曲线都具有双线性特征。然而,在软化阶段,轴向应力-峰后泊松比曲线却是非线性的;峰后泊松比是变化的,可能超过0.5,这与泊松比不同。由轴向应变及侧向应变计算得到的体积应变依赖于试样的几何尺寸,因此,在软化阶段,轴向应力-体积应变曲线的斜率并非材料本构参数。以往的力学模型很难采用解析式描述全部变形特征,这充分体现了这里所采用力学模型的优越性。     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

岩石损伤力学理论模型初探

分析了岩石全应力－应变曲线的特征、岩石在受载过程中同时引起弹性模量的降低和产生塑性应变的现象，提出了弹性模量、塑性应变与损伤成正比的基本假设和准静态损伤过程的概念，分析了损伤变量与损伤应变能释放率二者之间的依存关系，并定义了这两个概念。依据能量守恒定律，提出了岩石准静态操作过程的数学模型，建立了无因次损伤演化和本构方程，并对其特点进行了分析，所建立的数学模型仅需3个材料常数，而且，可较为方便地确定。岩石全应力－应变曲线的峰前和峰后只用一个损伤演化方程，且与试验曲线能较好地吻合。     

大理岩常规三轴压缩全过程试验和本构方程的研究

利用RMB-150B岩石力学试验系统研究了雅安大理岩围压为0～30ma的应力．应变全过程曲线，建立了屈服强度、峰值强度、残余强度和围压的关系，根据塑性力学的相关理论，提出双线性弹性-线性软化-残余理想塑性四线性模型，并应用于大理岩，得到了大理岩各段的本构方程，并特别讨论了软化段。结果表明，理论模型和试验结果吻合较好。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

断层岩爆是应变局部化导致的系统失稳回跳

讨论了应变局部化、岩爆及Ⅱ类变形行为的关系，并利用梯度塑性理论得到了4种等效的回跳准则。局部化是岩爆的前兆之一，也是出现Ⅱ类变形行为的原因。利用最小势能原理及梯度塑性理论，可得到系统的失稳判据；利用位移法，可以得到系统的Ⅱ类变形行为。若非弹性剪切位移(或平均塑性剪切应变)的增加快于弹性剪切位移(或平均弹性剪切应变)的降低，将出现Ⅰ类变形行为；反之，将出现Ⅱ类变形行为。弹性区与剪切带宽度的比率越大，或剪切弹性模量与剪切降模量的比率越小，系统越容易失稳。     

红层泥岩桩岩接触面本构模型试验及数值模拟

桩岩(土)接触面力学特性的研究是桩基承载机理研究的基础。通过红层泥岩桩岩接触面大型直剪试验,研究了红层泥岩桩岩接触面的力学特性,结果表明:接触面剪应力先随剪切位移增大而增大,在达到峰值后,剪应力随着剪切位移增大而降低,并最终趋于稳定值,应力应变曲线呈现出应变软化的特征。根据剪切试验结果,推导出桩岩接触面应变软化本构方程。利用fish语言对FLAC3D中自带的理想弹塑性接触单元进行二次开发,并应用开发的模型对桩岩接触面直剪试验进行了数值模拟,分析剪应力与剪切位移之间的关系,证明了该本构能够较好地模拟接触面间的应变软化特性。     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

岩石剪切破坏全应力-应变性状

The investigation of complete stress-strain behavior andcompressive failure behavior of some Hong Kong rocks are carried out. A large number of tests have been conducted to study the deformation and failure features of rocks. Some interesting test results have been obtained. These results show that localized deformation and failure strongly affect the deformation and failure process of the specimens just prior to the peak stress and in the post-peak stage. The two types of failure modes, namely exfoliation and shear failure have been investigated in detail. For the exfoliation failure mode, an experiment method has been proposed to observe the exfoliating process. A proposed model has been used to explain the influence of exfoliation on the gross stress-strain curve. It is found that the exfoliation during loading may be one of the reasons that a granite specimen exhibits Class Ⅱ behavior. The influences of machine stiffness control modes, end constraints, loading rate and confining pressure on the test results have been discussed and investigated. A new classification method of rock failure has been proposed. Special attention has been devoted to the investigation of the localized deformation and failure process of intact rock in the shear failure mode. A test method is proposed to detect the process. It is found that the deformation of rock material may be divided into three stages: namely uniform stage, pre-peak bifurcation stage and post-peak bifurcation stage. This phenomenon has been explained by a proposed qualitative analysis. It is further found that this localized process will significantly influence the shape of stress-strain curves, that is, the localized deformation is one of reasons that rock displays the effect of length to diameter ratio. A constitutive model is proposed to simulate the localized deformation and failure process. It can simulate the strain softening, strain localization, effect of length to diameter(L/D) ratio, unloading-reloading respons, and elastic modulus degradation, etc. Based on the model, a new strength criterion expressed by the relative shear displacement is proposed. This criterion captures the complex features of peak strength of rock such as the size effect.     

基于正态分布的岩石软硬化损伤统计本构模型及其参数确定方法探讨

在现有新型岩石损伤模型研究基础上,首先,利用岩石微元强度服从正态分布的规律与岩石损伤的能量原理建立能反映特定围压下岩石应变软化或硬化变形全过程的损伤统计本构模型;其次,通过研究特定围压下岩石应力应变全曲线的特征及其在不同围压下特征参数(峰值点强度与应变)之间的关系,建立岩石损伤软硬化统计本构模型参数的确定方法,从而建立能充分反映不同围压下岩石应变软硬化变形全过程的统一损伤软硬化统计本构模型,该模型具有参数少、易于确定和能同时反映岩石应变软硬化特性的特点,并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义。理论与试验结果的比较分析表明了本文模型的合理性。