冲击载荷下脆性材料损伤模型的研究进展

脆性材料在冲击载荷下的损伤模型在爆炸模拟、侵彻、高速碰撞等高加载率问题中有着重要应用，然而，用于描述脆性材料在冲击载荷作用下损伤模型的研究却困难重重。困难来自于两个方面：一是脆性材料在冲击载荷下响应的复杂性：二是模拟试验及监测难度较大。对冲击载荷下脆性材料损伤模型近20a来的研究现状和方法进行了总结，讨论所存在的问题及其发展趋势。损伤变量直接决定了所建立损伤模型的层次（宏观、细观、微观）及模型的基本方法，因而，通过损伤变量的不同，对现有的描述脆性材料对冲击载荷力学响应的损伤模型进行分类，并论述了脆性材料在冲击载荷下的损伤理论模型的发展趋势。     

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。     

层状岩体损伤演化与应变关系的研究

运用电子显微镜研究了岩石的微观结构，提出岩石微结构损伤模型：对层状岩体进行损伤演化与破坏过程的研究，建立本构方程与损伤演化方程；引入损伤变量及损伤扩展系数，建立符合岩体整个损伤演化过程的方程，描述岩石受载过程中初期近似呈线性，随后加速的过程。将岩体损伤与破坏过程分为3个阶段，分析层状岩体的损伤演化与破坏特征及其稳定性，解释岩石损伤演化的规律。研究结果表明：层状岩体的损伤萌生与扩展直到破坏，除与加载大小、速率等有关外，还与各亚层损伤演化规律、载荷与层面夹角、各亚层的内部微结构特性等有关。因此，现场整体岩层受其影响是显著的。     

循环载荷作用下周期充水岩石变形规律的研究

针对三峡库区所面临的周期蓄、排水而带来的重大工程实际和理论问题,在综合阐述国内外在有关循环载荷作用下岩石疲劳变形损伤破坏研究成果的基础上,从岩石变形全过程曲线的4个基本阶段及其相应3个特征点角度,提出了探讨循环载荷作用下周期充水岩石变形损伤演化规律的研究思路和基本方法,为正确认识岩体在周期性荷载作用下的破坏机理进而科学地评价工程岩体的长期稳定性奠定了理论基础。     

循环冲击载荷作用下岩石的力学特性分析

随着工程规模的不断扩大,深部岩体工程项目越来越多,深部岩体的开挖以爆破法为主。在岩体爆破开挖过程中,多数围岩在一定静载条件下承受循环冲击荷载作用。相关学者以SHPB系统为平台,以砂岩等作为分析研究对象,利用动静加载组合加载装置,开展常规冲击试验和循环冲击试验,分析总结砂岩在循环冲击载荷作用下的动态力学特性与破坏特征,分析岩石在循环冲击载荷下的损伤演化规律。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

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。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

岩石统计损伤本构模型及其参数反演

结合连续强度理论和统计理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,建立了岩石统计损伤本构模型。分析结果表明,将岩石破坏准则作为微元强度分布变量建立统计损伤本构模型时,破坏准则的选择对建立的模型曲线和损伤岩石等效弹性模量的影响较大,因此应选取合适的岩石破坏准则。运用岩土工程反演分析方法,求解了本构模型中的统计分布参数,使所得的统计损伤本构模型能够考虑应力状态对模型曲线的影响。与前人理论曲线和试验结果的比较表明,所建立模型合理且具有工程实用价值。     

岩体冻融疲劳损伤模型与评价指标研究

 岩体冻融损伤模型与评价是研究岩体经历冻胀力萌生、发展与消散反复作用后物理力学性质劣化的主要内容,现有对岩体冻融循环后的损伤评价指标主要有孔隙率、纵波波速、静动弹性模量等物理参数。冻胀力对于岩体可等效为三轴拉伸应力,首先基于三向等效拉应力建立岩体冻融疲劳损伤模型,该冻融损伤演化方程与单轴循环拉应力下的疲劳损伤方程虽然具有同样的形式,但物理意义不同。基于动弹性模量的定义,以孔隙率和纵波波速为参变量推导出了统一的损伤变量表达形式,该损伤变量不仅考虑了双物理参数的影响,还能对不同冻融循环次数下岩石的单轴抗压强度进行较好预测,可作为岩体冻融损伤的评价指标。定义动弹性模量损失40%为岩石冻融破坏临界值,利用该临界值可避免通过试验确定最大冻融循环次数,进而结合统一损伤变量对冻融疲劳损伤演化方程进行求解,最后通过2个实例说明该冻融疲劳损伤模型与评价方法的正确性和实用性。     

透明岩体相似物理模拟试验新方法研究

在传统岩土工程模型试验中,物理模型通常由不透明材料制备而成,变形的直接观测仅限于模型表面,而模型内部变形只能通过局部的、间接的方法进行有限观测,致使全面细致的岩体变形破裂过程及其复杂力学行为研究受到很大局限。借鉴已有一定研究基础的透明土试验的思路与方法,以软岩相似物理模拟为突破口,针对透明相似材料的透明度、强度、相似性和变形量测等几个关键难题,系统研发了透明岩体模型的制作方法、试验加载系统、数字散斑照相量测等关键技术。通过透明岩体基本物理力学实验和相似物理模型试验研究,1提出了透明岩体试样的制备方法,获得了试样透明度较为理想的硅粉、液体石蜡以及正十三烷的配比参数,研制了一种适合模拟软岩物理力学性质与变形破裂特征的透明相似物理试验材料。2通过透明岩体试样内置人工测点和散斑面,分别采用激光切面和白光照射,提出了两种较为有效的透明岩体内部变形的数字照相观测方法。3建立了透明岩体相似物理模拟试验新方法,包括透明岩体组成材料的选择、试样制作的材料配比、制作过程要素控制、模型内测点和散斑面设置、数字照相量测以及配套加载物理试验系统等。     

冻融循环层理砂岩冲击荷载下应变率特性研究

随着现代战争武器的杀伤力不断增强,剧烈的侵彻和爆炸作用在地壳中形成能量巨大的应力波,对国防工程、民用建筑的地下围岩和地面工程造成强烈的冲击作用.同时,层理岩石广泛存在于自然界且力学性质复杂,直接关系到工程的可靠性.本文介绍了 Φ100mm SHPB试验系统结构及其基本原理;基于SHPB冲击试验平台对经历0、20、40次...     

节理岩体强度参数损伤张量模型多维估算

Hoek-Brown强度准则因可较好实现对节理岩体稳定性分析及参数估算,正逐渐被广泛应用于岩体工程评价中。在对其进行力学参数估算时,采用一维损伤因子D将岩体视为各向同性损伤材料进行分析,而实际上,节理岩体损伤呈现为多维度特征,对其整体损伤效应予以准确把握有赖于建立多维度损伤表示方法。本文基于Hoek-Brown强度准则实现对岩体强度参数估算,充分考虑损伤效应的多维度特征,建立损伤张量表示模型,并结合节理裂隙空间分布参数,实现对损伤张量因子确定化表示;基于节理岩体损伤张量表示结果,结合某露天铜矿边坡节理岩体统计窗测试结果,实现了对强度参数系统估算。损伤张量模型具有表示节理岩体空间损伤特征,可较好用于对节理岩体强度参数的多维度估算。     

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。     

冻结岩石细观结构及温度场数值模拟研究

冻结岩石是一种内部结构及其复杂的岩土工程材料,热学特性与其细观结构密不可分.随着计算机技术的飞速发展,数字图像处理技术已经越来越多地应用于岩土工程领域.利用数字图像处理技术建立冻结岩石的细观结构模型,精确地描述页岩内部的空间结构及细观介质分布的几何形态.利用几何矢量转换技术,将细观结构模型转换为有限元物理模型,分析了负温条件下非均质冻结岩石冻融循环过程中的温度场分布规律.数值模拟结果表明:岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布形态,对岩石冻融损伤破坏过程产生不可忽视的影响.文章所提出的方法可实现考虑冻融岩石细观结构的冻土热、力学特性的定量分析.     

多裂隙岩体的损伤断裂分析及工程应用

本文通过对裂隙岩体内的应力、应变的体积平均,提出了适合于多裂隙岩体特性的等效连续模型。综合运用损伤力学和断裂力学理论,定义了岩体损伤张量、有效应力张量、损伤应变等;建立了损伤演化方程和多裂隙岩体的本构关系。利用所建立的模型,对一座水电站地下厂房的分步开挖进行了数值模拟。     

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。     

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。     

冻结速度对铜川砂岩损伤CT数变化规律研究

在寒区岩土工程中，季节性冻融是温度由正温经过数月缓慢变化到负温的过程及其逆过程，而昼夜冻融和气候骤变造成的冻融是温度由正温经过较短时间迅速变化到负温的过程及其逆过程。因此，研究冻结速度对岩石损伤结构的影响具有重要意义。利用CT扫描技术和岩石冻融实验，探讨了开放环境下冻结速度对3种铜川砂岩损伤扩展的影响，运用扫描层面内CT数统计频率分析法着重对冻融岩样扫描层面内的CT数变化规律进行分析，对寒区岩土工程具有一定的指导意义。     

基于有限元方法的裂隙岩体等效强度参数研究

 利用等效连续介质力学方法分析裂隙岩体中工程稳定性时,选择合理的裂隙岩体等效强度参数是取得可靠分析结论的前提。依据建立的裂隙岩体网格,结合岩石统计损伤模型和结构面损伤模型,通过有限元数值方法研究裂隙岩体加载中的渐进破坏过程,以及裂隙岩体等效抗压强度的尺寸效应和各向异性。分析结果表明,从岩块到岩体,岩体等效抗压强度很快降低至稳定幅度,岩体抗压强度的各向异性也不显著。最后,对10 m尺寸的岩体进行不同围压下抗压强度的数值分析,得到裂隙岩体的强度参数,并和Hoek-Brown经验准则进行对比。文中的分析方法对于工程裂隙岩体的宏观参数取值具有参考价值。