高渗透压作用脆性岩石宏细观力学本构模型

高渗透水压作用驱动的脆性岩石内部细观裂纹扩展,对岩石宏观力学特性研究有着重要意义。提出一种考虑渗透水压驱动裂纹扩展作用下的,脆性岩石应力–应变本构关系宏细观力学模型。该模型考虑了渗透水压对岩石初始裂纹面与新生成翼型裂纹面的影响。渗透水压弱化了初始裂纹面法向应力作用,同时强化了新生成翼型裂纹扩展驱动力,这2种裂纹面渗透水压作用构成了渗透水压驱动裂纹扩展机制。其中,在新生成翼型裂纹扩展驱动力的理论分析中,引入一个渗透水压导致的翼型裂纹面张拉力变量F_p,该变量对于渗透水压导致脆性岩石裂纹扩展直至失效起到了关键作用。然后,结合基于宏细观损伤定义建立的裂纹扩展与宏观变形联系,建立渗透水压诱发细观裂纹扩展导致的应力–应变本构关系。研究渗透水压对应力–应变关系曲线的影响,并对比试验结果,验证了理论模型的合理性。分析渗透水压导致的翼型裂纹面张拉力,以及翼型裂纹面张拉力与初始裂纹面张拉力比值(F_p/F_w),随裂纹扩展变化的规律。讨论渗透水压对裂纹启裂应力与峰值强度的影响。     

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。     

混凝土宏细观本构模型研究进展

对国内外宏细观本构模型的研究进展进行了总结,从而比较了混凝土宏观和细观研究的优缺点,表明了混凝土多尺度分析方法的重要性。建立了宏细观多尺度建模和分析方法,该方法能够模拟混凝土宏观非线性特征和细观损伤破坏的全过程,形象地解释了混凝土损伤破坏的本质。     

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。     

北山花岗岩细观损伤力学本构模型研究

 甘肃北山花岗岩是一种典型的准脆性材料,与裂纹有关的非弹性变形和损伤发展是其材料劣化和结构破坏的基本力学机制。基于均质化方法和热动力学理论,提出模拟北山花岗岩非线性力学行为的损伤–摩擦耦合本构模型。把花岗岩看成是由基质和大量分布的微裂纹构成的非均质材料,并以固体基质和币型微裂纹构成的特征单元体为研究对象。通过均质化方法确定特征单元体的自由能表达式,推导出与非弹性应变和损伤变量相关联的热动力学力,分别采用关联的广义库仑摩擦准则和基于应变能释放率的损伤准则来描述非弹性应变和损伤的演化。通过损伤–摩擦耦合分析进行强度研究,获得岩石强度的解析表达式,并明确损伤抗力函数的基本特征。运用所提出的细观力学损伤模型对北山花岗岩的三轴压缩力学特性进行模拟。数值模拟结果和试验数据具有较好的一致性,可验证模型的准确性,显示多尺度本构模型的突出优点。     

脆性岩石损伤与热传导特性的细观力学模型

 基于均匀化方法给出低孔隙率脆性岩石在热–力耦合荷载作用条件下的各向异性损伤模型和有效热传导特性模型。其中,损伤模型可考虑非等温条件下裂纹的法向压缩变形、刚度恢复以及裂纹的滑动剪胀特性,热传导特性模型可反映损伤过程中细观结构的演化以及裂纹形态、孔隙率和饱和度变化对岩石有效热传导特性的影响。讨论低孔隙率结晶岩裂纹形态和饱和度对其有效热传导特性的影响;采用瑞典Äspö闪长岩在三轴压缩条件下的应力–应变曲线验证损伤模型的有效性,并分析岩石在损伤演化过程中裂纹体积率、密度、形态、饱和度和有效热传导特性的演化规律。研究成果对于深部岩体的热–力耦合特性研究具有一定参考意义。     

脆性岩石变形与破坏的细观力学模型研究

 岩石的变形破坏与裂纹的发育过程密切相关。将岩石的变形分解为: 岩石介质的变形、张开裂纹的闭合、滑移引起的变形和由于分支裂纹扩展引起的变形。研究了岩石微裂纹的闭合、滑移、扩展以及相互作用的过程, 并给出了裂纹扩展在各阶段引起的宏观变形。将上述三种机制引起的变形叠加, 得到加载过程中岩石的应力2应变关系;与试验数据对比显示, 两者的应力2应变关系吻合较好。     

冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究

针对寒区岩体工程中岩石的冻融问题,选取砂岩为试样,通过进行室内冻融循环试验、扫描电子显微镜观测和三轴压缩试验对砂岩质量损失、微观结构和力学特性进行了分析。然后基于Lemaitre应变等效假设理论,通过引入能够反映岩石冻融破坏过程中的细观冻融损伤变量和力损伤变量来描述岩石材料的劣化程度及损伤演化规律,并采用连续损伤力学理论,建立了冻融与围压耦合作用下岩石的损伤演化方程及细观损伤本构模型。采用理论推导的方法得出所需的模型参数表达式,最后利用冻融岩石的三轴压缩试验数据对该模型的合理性和准确性进行了验证。将试验曲线的峰值点与模型理论曲线的峰值点进行对比,结果表明两者吻合度较好,该损伤本构模型能够较好地反映岩石三轴压缩过程的应力-应变峰值特性,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性与可靠性。该模型拓展了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤模型,进一步的揭示了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤机制和破坏规律。     

基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型研究

在对盐岩在蠕变试验中所表现的损伤特征认识基础上,利用对应性原理建立了基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型。该模型能够体现考虑损伤和不考虑损伤的蠕变力学过程的巨大差别,应变率随着有效蠕变应力的增大而增大的特征,及在一定畸应力作用下随着静水压力的增大蠕变应变率变小的特征。     

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。     

脆性岩石宏细观破坏机制的卸荷速率影响效应研究

通过开展不同卸荷速率下大理岩加轴压、卸围压室内试验与颗粒流仿真,采用多角度宏细观结合分析的方法,探讨卸荷速率对脆性岩石卸荷破坏机制的影响效应。结果表明:岩样宏观表现的剪切破坏细观上是拉破坏扩展形成的贯通破坏面。黏结能、应变能同时出现负向增长的特征,可以作为脆性岩石的破坏前兆。高卸荷速率下岩样内部会出现多条贯通性破坏面,次要破坏面明显,张拉破坏裂纹分布面积较大。卸荷速率增加,峰值点至应力突降处的拉裂纹增长率越高;低卸荷速率时剪裂纹数偏高。卸荷速率会改变岩样破坏前声发射计数率的增长速率、破坏点附近的计数率量值以及破坏后的波动幅度。卸荷速率增加会引起黏结能、应变能以及摩擦能的减少,动能则相反。     

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。     

基于细观本构模型的UHPC梁受弯全过程分析

为预测超高性能混凝土(UHPC)残余抗拉强度,通过细观力学分析,研究了纤维对UHPC残余抗拉强度贡献机理,提出了考虑纤维埋深、分布和取向的UHPC细观本构模型。基于UHPC细观本构、受力平衡方程和变形协调条件,建立了UHPC梁受弯分析模型和受弯承载力理论计算方法。经与8个UHPC梁试件受弯试验结果对比发现,文中提出的模型可以较好地预测UHPC梁受弯全过程响应和受弯承载力。基于基准试验梁的不同作用机制受弯贡献比例分析发现,纵筋配筋率从0增至2. 5%时,受拉区混凝土对受弯承载力贡献从89. 6%降至2. 4%;纤维率从0增至3%时,受拉区混凝土对受弯承载力贡献从0增至22. 1%。计算结果表明,对于低配筋UHPC结构,混凝土抗拉贡献应予以考虑。     

湿态混凝土抗压强度与本构关系的细观力学分析

采用细观断裂力学的方法研究湿态混凝土在外部荷载的作用下，裂纹及孔隙中水压力的大小和影响因素及其对混凝土受力性能的影响。根据湿态混凝土中裂纹的扩展规律，采用分枝型裂纹来研究湿态混凝土的抗压强度，利用能量等价原理来探讨湿态混凝土的本构关系和损伤特征。研究结果表明：（1）分枝型裂纹模型可较好地反映混凝土的体积变形和强度特征；（2）混凝土中的孔隙水压力减小阻碍混凝土开裂的摩阻力，因而加速混凝土的损伤和微裂纹的扩展；（3）与干燥态的混凝土相比，湿态混凝土的抗压强度降低，峰值应变减小，在同一应力水平下湿态混凝土的侧向变形增大。     

循环荷载作用下花岗岩疲劳力学性质及其本构模型

 循环荷载作用下岩石力学性质研究对完善岩石力学基本理论和指导相关工程建设具有重要意义。通过花岗岩三轴循环荷载试验,系统研究花岗岩疲劳力学特性,提出花岗岩疲劳力学模型。研究结果表明：(1) 岩石残余应变和变形模量与循环次数之间关系与岩石体积变形状态相关;(2) 在应力–应变全空间内,花岗岩疲劳性质分为3个区域,不同区域内微观机制不同;(3) 岩石疲劳破坏门槛值应为剪缩和剪胀区域分界点对应的峰值偏应力;(4) 循环荷载作用下岩石疲劳势有别于单调加载时塑性势,循环荷载作用下岩石表现出比单调加载时更强的抵抗体积变形能力;(5) 提出基于内变量理论的岩石疲劳本构模型,试验数据与模拟预测对比显示模型较好地反映出岩石疲劳力学性质。     

循环荷载作用下木材横纹力学特性与本构模型

木材循环受力特性与本构模型是木结构在地震、振动等反复荷载作用下受力分析的基础。试验中设计并加工了一种适用于木材横纹循环加载的狗骨状试件及其配套夹具,基于木材径向、弦向、偏轴60°三类共44个横纹试件的单调拉伸、单调压缩、循环受压、循环拉压试验,分析木材在不同循环加载条件下的变形特征、破坏模式、应力-应变全曲线性质与加卸载刚度变化规律。在此基础上,建立木材横纹循环应力-应变曲线中受压卸载残余应变、受拉卸载开始点应变、受拉卸载残余应变与受压卸载开始点应变的相关关系。研究结果表明：木材横纹循环受力过程中受压侧变形特征、破坏模式、骨架曲线与单调受压时相似,径向与偏轴60°试件的循环受压骨架曲线屈服点后的应变硬化特征明显,而弦向试件则表现出明显的应变软化特征;各类试件的卸载刚度、卸载后的反向加载刚度显著退化。进一步建立了木材横纹循环受力本构模型,并通过试验验证了其正确性,可用于木结构受循环荷载作用时的受力分析。     

高吸水性树脂多孔混凝土静态力学特性与损伤本构模型

利用大小可控的球形高吸水性树脂(SAP)与水泥基制成SAP多孔混凝土,对其进行一维应变加载,探究了孔隙率为38%、48%、53%的SAP多孔混凝土静态力学性能及耗能特性。结果表明：SAP多孔混凝土应力-应变曲线具有多孔材料典型的三阶段特征;且孔隙率、平台应力、压实应变对材料能量吸收有显著影响;在密度为997～1321 kg/m³内,SAP多孔混凝土的吸能能力会随孔隙率减小而增加。根据实验结果结合损伤因子和Weibull分布理论,建立了基于SAP多孔混凝土密度的损伤本构模型,得到预测不同密度的SAP多孔混凝土损伤演化行为的本构模型,且模型预测结果与试验结果吻合较好。     

硬脆性岩石热–力–损伤本构模型及其初步运用

热力作用下岩石本构行为的研究对深部资源开采、地热资源开发、深埋长大地下工程设施建设等岩石工程问题具有重要意义。基于现有岩石损伤劣化统计本构模型研究,引入三参量Weibull分布、热损伤、Drucker-Prager屈服准则和残余强度修正系数,经过严密的数学推导,建立了考虑岩石起裂应力的热–力–损伤本构模型,并确定了其参数表达式。采用围压25 MPa、不同温度(20℃,60℃,130℃)条件下黑云母花岗岩三轴压缩试验结果对模型进行了验证。结果表明:模型理论曲线和试验曲线具有较高的吻合度,能够客观地反映岩石热力破裂应力应变全过程和残余强度,且参数物理意义明确。最后,将本构模型嵌入FLAC数值分析软件,对瑞典APSE隧道开挖过程的热力响应进行了数值分析,计算结果较好地反映了隧道现场围岩的破坏规律。     

一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型

针对粗粒料的剪胀特性和强度非线性,在经典弹塑性理论框架内,建立了一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型。模型采用基于颗粒材料细观结构变化推导得到的屈服函数,在此基础上由非相关联流动法则得到的剪胀方程,结合粗粒料典型的三轴压缩试验结果,引入一种无黏性土的压缩模式,构造了能够统一描述粗粒料剪胀、剪缩特性的硬化参数。阐述了由常规三轴试验和等向压缩试验确定模型全部7个参数的方法。对3种粗粒料三轴压缩试验结果进行了预测,预测结果与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地反映粗粒料的应力变形特性。     

岩石力学损伤和流变本构模型研究

博士学位论文摘要 采用几何损伤理论和能量损伤理论对岩石的力学特性进行了研究和建模探索，并探讨了瞬时损伤对流变的影响。主要工作内容如下：