基于Logistic分布的岩石损伤统计模型

岩石材料内部损伤对于其自身承载力有着直接的影响,其损伤包含内部随机分布的裂纹、空洞等。现有的岩石损伤统计模型难以准确地描述岩石峰后力学特性,以及高围压条件下岩石的应变软化现象。对此,假定岩石微元强度服从Logistic分布,并采用Drucker-Prager破坏准则来描述岩石微元强度的随机分布变量。同时考虑到在高围压条件下,岩石峰值强度后的应变软化特征明显,采取引入损伤修正系数λ,从而建立出了基于Logistic分布的岩石损伤统计模型。通过常规三轴试验结果论证分析,结果表明：1）理论结果能较好的与试验结果吻合,该模型能够更好地反映岩石在加载过程中的力学特性;2）该模型充分的体现出了随着围压的增大,能有效地抑制岩石内部损伤的扩展,并解释了岩石整体失效后,其残余强度与围压的内在联系,对研究岩石软化和岩体工程加固措施有着重要意义。     

岩石损伤统计本构模型及其参数确定的研究

利用连续损伤理论和统计强度理论,建立了完整模拟岩石破裂全过程的损伤统计本构模型。在所建立的损伤统计本构模型的基本方程中,引入岩石应力应变全过程曲线特征参量,并考虑岩石应力应变全过程曲线的几何条件,解决了传统方法求解本构方程中参数的难点,同时提高了精度。基于取自某边坡工程的砂岩所进行的三轴压缩试验实测结果,对所建立的岩石损伤统计本构模型进行了验证,验证了所建的模型是合理的。     

考虑初期损伤的岩石蠕变模型

为了描述岩石稳定蠕变阶段的非线性特征,现基于Kachanov提出的损伤律推导了损伤变量在衰减、等速蠕变阶段随时间的演化方程,然后根据Lemaitre应变等效原理得到了有效应力随蠕变时间、初始损伤变量和最小损伤变量的变化关系,再将有效应力代替广义开尔文蠕变模型中的Caucy应力,从而建立了考虑初期损伤的广义开尔文蠕变模型。根据泊江海子煤矿砂质泥岩的三轴压缩蠕变试验数据对广义开尔文蠕变损伤模型进行辨识。辨识结果表明:考虑初期损伤的广义开尔文模型理论曲线和试验曲线吻合度非常高,对衰减和等速阶段的描述效果远好于传统广义开尔文模型。     

基于综合考虑损伤与断裂的岩石爆破破坏力学模型

本文首先对岩石爆破断裂和损伤理论模型进行了回顾,重点分析了目前在岩石爆破领域中得以广泛应用的损伤理论模型。通过分析指出,断裂力学模型和损伤模型都属于线弹性范畴的力学模型。并指出这些理论模型与实际岩石模型的差距,在此基础上提出了岩石爆破的破坏力学模型,为以后的岩石爆破理论模型研究指明了方向。     

岩石损伤统计本构模型参数及其临界敏感性分析

在岩石应变软化变形全过程的损伤统计本构模型基础上,根据单轴压缩应力应变全过程曲线,进一步明确了本构模型中分布参数的物理意义和实际意义,提出了模型参数的确定方法并通过试验验证了该方法的合理性,在此基础上进一步分析了不同均质度岩石的临界敏感性.结果表明,通过该方法确定的岩石均质度综合反映了岩石峰前聚能和峰后释能的能力,比以往的计算和拟合过程更简单,物理意义更加明确;随着均质度的增加,岩石临界行为特征越来越明显,临界敏感性增强,对于岩爆岩石来说,岩爆倾向性增强.通过确定的岩石均质度可以方便的定量比较不同岩石的临界敏感性和岩爆倾向性,便于更好的指导实际工程和提前采取预防措施.     

考虑初始空隙闭合及其影响的脆性岩石变形破坏全过程模拟

岩石材料本构模型是进行岩体工程设计与分析的基础。为了建立能够准确反映脆性岩石变形破坏全过程模拟方法,针对当前统计损伤本构模型难以很好地反映脆性岩石峰前变形力学性质的局限性,进行了深入分析。首先,在脆性岩石变形力学特征分析基础上考虑初始空隙闭合及其影响,并由此将其分为两类:第1类初始空隙和第2类初始空隙,其中,第1类初始空隙仅能够在静水压力状态下发生闭合,其闭合程度对脆性岩石弹性模量变化特征产生影响,且其未闭合部分引起脆性岩石具有初始损伤;第2类初始空隙能够在任意应力状态下发生闭合,且能够在脆性岩石初始宏观变形阶段完全发生闭合,其闭合程度对脆性岩石初始压密变形阶段与初始宏观非线性变形曲率均产生影响。其次,脆性岩石被抽象为由裂隙材料和骨架材料两部分组成并基于材料变形力学分析方法建立脆性岩石变形分析方法,然后基于瞬时应变和统计损伤理论分别建立裂隙材料变形分析方法和骨架材料变形分析方法,进而建立考虑初始空隙闭合及其影响的脆性岩石本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后,将该模型及同类型模型理论曲线分别与试验曲线进行比较分析,并在此基础上探讨初始空隙闭合对脆性岩石损伤和附加损伤演化规律产生的影...     

分级循环加卸载作用下煤岩损伤本构模型研究

以煤岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究煤岩损伤力学特性;应用Weibull统计分布函数,并引进损伤变量D,基于煤岩微元体强度符合Mises屈服准则,建立了适用于煤岩加卸载阶段的损伤本构模型;根据试验数据,采取非线性拟合的方法确定各循环等级的模型参数值,分析了模型参数的物理意义。研究结果表明:基于Mises屈服准则建立的损伤本构模型能够准确反映煤岩分级循环加卸载下的应力-应变关系;随着加卸载等级的提高,残余应变逐渐积累,弹性模量先增大后减小,滞回环形状表现为胖-瘦-胖的特点;本构模型参数具有明确的物理意义。     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

煤岩单轴加载统计损伤本构模型

为了研究煤岩单轴加载过程中的损伤演化规律,对煤岩进行了单轴加载实验,得到了煤岩的应力应变曲线、环向-轴向应变曲线。实验结果表明,煤岩加载过程中环向应变速率随着轴向应变的增加呈现出非线性增加的规律,并在煤岩加载进入软化阶段后达到最大值,它在宏观上反映了煤岩内部裂纹的产生与发展,并与煤岩的损伤演化规律相符。故定义损伤变量为裂纹体积的函数,并假设裂纹体积的增加符合威布尔统计规律,构建了煤岩统计损伤本构模型,通过与实验结果对比,验证了该模型的正确性。     

基于Weibull分布的岩石损伤本构模型研究

利用连续损伤理论和统计强度理论，提出了模拟岩石破裂全过程的损伤本构关系，并在此基础上建立了完整的损伤统计本构模型，且在所建立的损伤统计本构模型的四个基本方程中，引入岩石应力应变全过程曲线特征参量，并考虑岩石应力应变全过程曲线的几何条件，解决了传统方法求解本构方程中参数的难点，同时提高了精度．通过与砂岩试件三轴压缩试验实测结果对比，证明模型可以很好地反映岩石的应力-应变关系．图2，参7．     

型煤中空隙分布规律试验研究

为研究型煤制备工艺与性能之间的关系,以指导生产工艺优化,利用单偏光显微镜及数字图像处理技术对不同黏结剂添加量和成型压力下制备的型煤空隙总体特征,以及水平方向与垂直方向上空隙分布特征进行研究,深入分析了空隙直径、位置及定向程度等特征。研究结果表明:不同黏结剂添加量及成型压力制备的型煤中空隙率差别较大;型煤水平方向与垂直方向上空隙率不同,水平方向上空隙直径较为集中;型煤空隙分布不均匀,定向程度差;型煤空隙从表面到内部有增大趋势。     

冻融-荷载作用下基于残余强度特征的岩石损伤模型

岩石变形破坏特性是寒区岩土工程建设所直接面临的基础力学问题。为模拟冻融与荷载作用下岩石变形破坏的全过程,将冻融-荷载作用下的岩石微元在轴向抽象为未损伤、冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤4部分,这4部分材料共同承受轴向应力,其中冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤3部分可承受残余应力。采用Weibull分布描述岩石材料的非均匀性,基于D-P破坏准则,定量表述了冻融与荷载的耦合效应对总损伤的影响规律,建立了考虑残余强度特征的冻融受荷岩石损伤本构模型;基于岩石变形破坏特征,推导出模型参数的理论表达式;开展红砂岩冻融循环及三轴压缩试验,研究岩石的变形破坏过程及冻融循环和围压对其力学特性的影响,验证所建模型的合理性;分析冻融-荷载作用下岩石的损伤力学特性。研究表明:本文所建模型反映了冻融受荷岩石变形破坏的全过程,并能表征冻融循环和围压对岩石变形特性的影响;岩石的总损伤演化途径反映了细观力学响应与宏观变形破坏特征相一致,刻画出冻融与荷载2种作用因素对岩石总损伤扩展的非线性影响特性,探寻了细观损伤演化所诱发的宏观力学效应,为揭示岩石的冻融破坏机制提供理论依据。     

高应力区岩石统计损伤本构模型及能量耗散研究

为了反映高应力区岩石变形破坏全过程,通过引入双参数抛物线型Mohr强度准则,建立适用于高应力区岩体的微元强度度量方式,并假定由该度量方式得到的微元强度服从幂函数概率密度分布,结合连续损伤理论,考虑损伤变量修正,建立一个新的适用于高应力区岩体的统计损伤本构模型。以高应力区英安岩为验证对象,进行常规三轴压缩试验,依据岩石应力-应变曲线特征,给出模型参数确定方法。引用基于线性Mohr强度准则而建适用于浅部低应力水平岩石的相关统计损伤模型,利用该模型和本文所建模型对英安岩试验数据进行验证,对比试验曲线和理论曲线,证明本文所建模型的可行性。分析高应力区岩石的损伤累积和能量耗散,从能量的角度证明损伤修正系数的正确性,分析岩石变形破坏过程中的能量变化规律,体现本文所建模型的合理性。     

煤岩破坏过程中的统计损伤模型研究

针对煤岩特性,令其微元强度服从截尾正态分布,引入变异系数参量,建立了煤岩破坏过程中的统计损伤模型。结果表明:模型在反映煤岩破坏过程演变特征时更合理。参数μ与δ分别反映了煤岩宏观强度和微元强度分布均匀性,宏观强度与参数μ呈正相关关系,与参数δ呈负相关关系。进一步对无因次宏观强度分析,发现其大小只与变异系数有关。     

考虑温度损伤的复合岩石本构关系研究

:为研究岩石在温度作用后的物理特性、力学性质及损伤变化,对 复 合 岩 石 试 样 进 行 温 度 处 理,设 置 常 温、６０℃、０℃、１２０℃、１５０℃、１８０℃ ６个温度梯度,对温度作用后的复合岩石进行单轴压缩试验.使用 Weibull分布函数建立温度作用后复合岩石的统计损伤本构模型,以文献理论曲线和单 轴 压 缩 结 果 加 以 验 证,基 于 数 字 图 像 相 关 法 (DigitalImageCorrelation,DIC)建立本构模型,改进后的本构模型对岩石峰后阶段破坏特征的描述更加准确.所建立的温度作用后复合岩石损伤模型理论曲线与文献理论曲线较为吻合,模型曲线 与 单 轴 试 验 结 果 表 现 出 较 高 的 相 似 度,使 用DIC改进的本构模型可以较好地表征复合岩石各破坏阶段     

爆破作用下低渗砂岩铀储层的岩石损伤范围研究

爆破增渗方法可有效提升地浸采铀效率,而爆破范围是影响增渗效果的关键参数。为了研究低渗砂岩铀矿中爆破损伤范围分布特征和裂纹扩展规律,基于LS-DYNA软件,采用RHT材料模型,分析了不耦合系数K和地应力对砂岩爆破损伤区范围和裂纹扩展的影响规律。结果表明：随着不耦合系数K的增大,岩石的粉碎区半径逐渐减小,缩减至同炮孔半径近似;裂隙区裂纹呈现先增大,后稳定的分布规律,在K=1.75取得了较好的爆破效果。随着地应力的增大,岩石的粉碎区形状和范围基本不发生变化,而裂隙区范围整体呈现先缩小后稳定的分布规律。本研究对低渗砂岩铀矿爆破增渗中爆破范围的确定具有理论指导意义。     

岩石微损伤过程的测试研究

对几种典型岩石进行了损伤与破坏过程的声测实验研究。实验表明，声测波形与频度揭示了岩石内部损伤的萌生与演化特征，并对不同岩石的损伤演化过程及特性作了对比实验，得到了有益的结果。     

考虑压密过程和残余强度的岩石统计损伤本构模型

针对现有岩石力学研究模型大都未能考虑弹性模量和泊松比的不足,基于岩石破坏后仍能反映残余强度的损伤模型,采用对数正态分布统计方法,引入岩石损伤理论,在已有本构模型的基础上,建立了考虑岩石初始压密过程和残余强度的统计损伤本构模型,并推导出数学表达式。在合理度量岩石微元强度的基础上,采用Hoek-Brown经验强度准则,将所建立模型与粉砂泥质岩本构模型进行对比分析,结果表明曲线吻合良好。模型能很好地反映岩石破坏全过程,尤其是残余强度特征,表明所建立的模型及其建模方法的合理性和适用性。     

考虑空隙非线性变形的胶结充填体损伤软化本构模型研究

充填采矿法在两步骤回采方式中广泛应用，胶结充填体作为人工矿柱，其稳定性至关重要；而胶结充填体力学特性及本构模型是进行稳定性分析与评价的重要内容，因此，亟需开展胶结充填体力学特性及本构模型研究。通过对不同灰砂比的胶结充填体进行单轴压缩试验，试验结果表明：在初始压密阶段因空隙存在而表现出非线性变形特征；在塑性屈服阶段及破坏后阶段刚度和强度均表现出软化特性；破坏后阶段存在较强的承载特性。针对试验结果，采用宏观和细观相结合的方法，将胶结充填体抽象成空隙和细观单元2部分，并引入胶结充填体有效损伤因子，结合统计损伤理论，分别构建空隙本构方程和细观单元损伤软化本构方程，进而得到胶结充填体损伤软化本构模型。最后将本研究理论模型曲线与试验曲线、现有理论基于试验数据和其他学者试验数据得到的曲线进行对比分析，分析结果表明本研究得到的理论曲线与试验曲线有较高的匹配度，各阶段曲线拟合相关系数都达到95%以上，更好地表征了胶结充填体空隙非线性变形特征及软化特性。研究结果可为胶结充填体稳定性分析提供理论依据。     

冲击破坏条件下煤的强度型统计损伤本构模型与分析

为研究冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对取自苇町矿的煤样进行了不同冲击载荷条件下的动态冲击试验,分析了煤在冲击载荷条件下的动态力学特性。试验结果表明煤是一种典型的率相关材料,弹性模量和抗压强度均随应变率的增大而增大。根据岩石力学的强度理论和统计损伤理论,建立了煤的强度型统计损伤本构模型,给出了模型参数的确定方法,验证了模型的正确性。对比分析了元件型统计损伤本构模型和强度型统计损伤本构模型的优劣,分析确定了强度型统计损伤本构模型的准确性与合理性。研究结果表明:强度型统计损伤本构模型结构简单,引入参数少,物理意义清晰,能够有效地描述煤体冲击破坏过程中的动态力学性质;相较于元件型统计损伤本构模型,利用强度型统计损伤本构模型拟合的相关性系数更高,与试验结果保持了很好的一致性,具有更好的普适性。