单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

基于图像分析的节理岩体单轴压缩损伤演化研究

 为定量地研究节理岩体的损伤演化规律,对岩体石膏模型试件单轴压缩试验过程中拍摄的表面数字图像进行处理分析。编制Matlab程序,实现单个裂纹的识别、裂纹长度和方位角、总裂纹面积分数和总裂纹分形维数的计算。对节理倾角和节理连通率这2个参数组合变化下的试件表面裂纹图像的分析结果为：(1) 试件表面总裂纹面积分数和总裂纹分形维数变化规律基本相似,在各节理连通率和各节理倾角下,2个参量都随轴向应变的增加而增大;(2) 可将试件分为两大组,节理倾角为0°,15°,75°,90°试件(劈裂破坏为主)和节理倾角为30°,45°,60°的试件(剪切破坏为主),第1组试件表面的总裂纹面积分数和总裂纹分形维数值都高于第2组试件;(3) 具有相同节理连通率的试件,在试验开始点不同节理倾角的总裂纹面积分数基本相同,在峰值荷载点和试验结束点的总裂纹面积分数随节理倾角的变化曲线基本呈V型(最小值在节理倾角为45°处,最大值在节理倾角为0°处);(4) 表面裂纹在试验开始时和加载过程中的各向异性分布特征,可以用裂纹面积分数沿裂纹方位角的分布图来表征。研究结果表明,表面裂纹图像分析可以有效地定量研究节理岩体试件的各向异性损伤演化特征。     

考虑裂隙闭合和摩擦效应的节理岩体能量损伤理论与应用

基于能量等效原理,建立了考虑裂隙闭合和裂隙表面摩擦效应的节理裂隙岩体本构关系,推导了预度张量及其增量的表达式,并将该研究成果应用于三峡船闸岩体稳定性分析。计算结果表明,本模型可以较好地反映节理裂隙岩休的力学特性及开挖过程中围岩渐进破坏的规律。     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。     

节理裂隙岩体渐进破坏机理研究综述

岩体的变形和破坏是岩体工程的核心问题.岩体破坏过程的研究对岩体工程的合理设计、安全施工、有效维护具有重要的指导意义.在综合分析岩体渐进破坏特性、岩体破坏模式的基础上,从断裂力学方法、损伤力学方法、数值方法、试验方法等几个方面描述当前节理裂隙岩体渐进破坏机理的研究现状,最后对目前研究中存在的一些问题提出了建议.     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

楔刀作用下含水平节理岩体的位移场特征及损伤演化试验研究

 为了研究水平节理对盘形滚刀破岩机制的影响,对实际条件进行简化后,在改进的试验装置上进行楔形刀具作用下相似材料的贯入破坏试验。用CCD相机对试件表面的变形、破坏过程进行实时拍摄,并采用数字散斑相关方法对采集图像进行分析,获得试件表面的位移场分布特征。通过位移场方差的演化对节理试件刀具荷载下的破坏进行表述。在采用相机拍摄数字图像的同时,采用声发射测试系统对试件破坏过程中微破裂源进行二维平面定位,研究含水平节理试件在楔形刀具作用下微震裂源的形成机制和微破裂分区聚集成核的特点。     

节理岩体断裂损伤模型在三峡坝基岩体力学参数模拟和预测中的应用

基于节理岩体的断裂损伤模型，建立基于等效柔度张量及特定破坏准则等效体力学参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用于三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中，通过与节理刚度模型、包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中。通过与节理刚度模型，包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测中较为适用，为三峡工程的坝基岩体稳定分析提供了参考。     

岩体损伤-弹塑性非线性有限元分析

 根据岩体破坏的特点, 在不同三维应力水平上分别用正交各向异性非线弹性损伤、弹塑性及三轴破坏强度准则, 研究了在受拉区损伤2开裂、在受压区损伤2塑性、在拉压区损伤2塑性2开裂破坏, 以及开裂后的非线性破坏特性。为确定结构的潜在安全度提供了新的途径。     

节理岩体两种模式的数值分析

采用节理单元和复合本构模型,对节理岩体进行有限元模拟,分析比较了两种模式的数值结果     

节理岩体的动力学损伤变量

综述了目前节理岩体损伤描述的各种损伤变量及其意义，着重讨论了它们的适用场合，指出以波动理论定义的动力损伤主量对于岩体工程具有重要意义。     

加锚节理岩体的损伤增韧止裂模型研究

本文针对加锚节理岩体特点，采用等效抹平的处理方法，从损伤加筋体的自一致理论出发，推求加锚节理岩体的等效柔度张量和损伤张量，并运用脆性类材料的损伤增韧止裂理论，依据加锚节理裂纹的断裂扩展过程建立损伤演化方程，给出了此类加锚岩体的本构关系。     

裂隙岩体同步压裂干扰机制的数值模拟研究

为认清裂隙岩体中同步压裂的应力扰动规律,指导页岩气储层压裂的优化设计,应用基于有限元的RFPA^2D-Flow软件,首先对配对井相同压裂段间裂缝静、动态诱导应力扰动机制进行研究,随后研究了天然裂缝对水力裂缝的影响机制,并对裂隙岩体的同步压裂进行模拟。结果表明,相向延伸水力裂缝的诱导应力相互叠加,其对地应力场产生的扰动作用相对单井裂缝更加明显。水平主应力差较小时,配对井相同压裂段裂缝在相向延伸过程中相互吸引的趋势越明显,分支缝越多;小主应力差、小逼近角且高脆性矿物充填的天然裂缝更易使水力裂缝转向;对于非完全充填雁列式裂缝型储层,大主应力方位与天然裂缝呈30°至60°夹角时,天然裂缝起裂及失稳压力适中,可有效降低施工难度,同时该角度范围也利于一定数量的分支缝形成。同步压裂技术可对目标储层实现充分改造,具有良好应用前景。     

基于能量耗散和声发射的岩石损伤本构模型

为了更好地研究单向受载下岩石的本构关系和损伤演化规律,利用泥岩的单向压缩和声发射试验,分析了岩石的变形特点、能量转化和声发射特征,在此基础上,分别建立考虑能量耗散和声发射的损伤演化方程,提出初始损伤和临界损伤的定义,构建了能够反映岩石压密过程和残余强度阶段的损伤本构模型,并通过单向压缩试验结果对比分析了两种损伤演化规律及理论损伤本构关系。研究结果表明,两种损伤演化规律基本一致,都经历损伤缓慢增加、加速增加和残余损伤3个阶段;材料参数分别影响应力强化、软化和整体应力-应变曲线;两种理论损伤本构关系均较好地反映了岩石的单向受载变形特征,从而证明了所建损伤本构模型符合实际。     

柱状节理岩体侧向变形特性单轴压缩试验研究

由于柱状节理网络的存在,柱状节理岩体在单轴压缩下沿柱状节理的滑移、松弛或局部破裂将产生较大的外观侧向变形,相应的侧向应变与轴向应变之比(以下简称侧向应变比)将大大超出连续介质泊松比上限值0.5。正确把握柱状节理岩体较大侧向变形特性,是地下洞室等大型柱状节理岩体工程设计需要解决的关键问题之一. 为此,以石膏混合材料制作柱体与σ₁具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到了模拟柱状节理岩体侧向应变比ν_r随β的变化曲线,曲线近似为倒“U”型,并在β=30°时取得最大值,在此基础上根据模拟柱状节理岩体的破坏模式对其侧向变形力学机理进行了分析。最后,参照Ramamurthy各向异性经验模型构建了预测柱状节理岩体侧向应变随夹角β变化的经验公式,将经验预测值与试验实测值进行比较发现两者吻合较好,该经验公式可以较好地预测侧向应变随夹角β的变化趋势。     

盐岩单轴压缩损伤演化及声发射特征研究

盐岩具有低渗透性、良好的蠕变特性和损伤恢复功能等,是油气储存的重要介质,但是盐穴储气库注采运行中,盐岩变形存在大变形的力学行为,影响储气库的安全性。利用MTS815岩石力学测试系统对不同类型盐岩进行单轴压缩实验,配合声发射监测系统对实验全过程进行声发射监测,展开了盐岩变形破坏过程的力学特性及声发射特征研究,并对其损伤演化特征进行探索。结果表明：(1)在盐岩样品中存在夹层可以明显提高其抗压强度,通过3组实验岩心平均抗压强度对比发现盐岩中存在夹层强度可提高20%,3类岩心实验过程中声发射事件在抗压强度的40%以下较为平静,超过40%时声发射事件激增;(2)通过对声发射事件空间位置研究可以得到其对应岩心的破坏演化过程：含泥盐岩最初在样品各处均发生微小裂隙,随着应力的增加微小裂隙扩展连通主要发生在泥质含量较高区域,并在该区域形成宏观裂隙;含夹层盐岩破坏首先发生在硬夹层,然后向盐岩层扩展,最终穿透盐岩层丧失承载能力;纯盐岩首先在样品中部发生损伤,然后向两端传递,但是破坏主要在样品中部聚集,最终形成宏观断裂面;(3)利用能量累计值建立损伤变量,将损伤变量的演化曲线分为四部分,并提出工程的安全预警阈...     

船闸边坡节理岩体锚固效应的模型试验研究

通过室内相似材料模型块试验,研究了在不同的布锚参数下三峡船库高边坡节理岩体的抗压强度、弹性模量、泊松比及扩容特性等力学性质的变化规律,得出了一些有益的结果。     

冲击荷载作用下灰岩的能量耗散及损伤演化规律研究

利用改进后的直径50 mm的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对灰岩试件施加不同加载速率的冲击压缩试验,分析了试验中灰岩试件的能量耗散特征;通过基于Weibull分布的动态统计损伤理论并结合试验曲线分析了灰岩的损伤演化规律,并探讨了最大损伤变量与能量耗散密度的关系。研究结果表明:透射、吸收、反射能量受入射能量的影响显著,并且透射能的相关性最显著;能量耗散密度随应变率的增加而显著增加,呈现较好的线性正比关系,能量耗散密度为零时的临界应变率为62.56 s^-1;动态抗压强度与应变率呈指数函数关系;灰岩试件的能量吸收率随应变率的提高而显著减小。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线较为一致,损伤变量D随应变的增加而逐渐增加,在应力应变曲线峰值处,损伤变量D存在一个明显的拐点,损伤在此处开始急剧增大;灰岩的最大损伤变量D_max与能量耗散密度呈较强的对数函数关系,存在D_max为零时的临界能量耗散密度值。     

崩塌体失稳关键区岩石损伤特性试验研究

针对导致大型高陡危岩失稳的底部关键区域损伤劣化问题,通过声发射试验以及数值模拟试验获取关键区岩石试样在三轴压缩过程中的应力应变及声发射特征参数,利用损伤理论对试样的损伤特性与演化规律进行分析。研究结果表明:试样呈现出典型的脆性岩石破坏特征,伴随能量集中释放,在主破裂出现时刻声发射计数骤增;随着围压升高,声发射活跃频度增大,沉寂期缩短;不同围压下累计声发射计数曲线均呈现出初期平缓—中期缓增—后期陡升的阶段性特点,并与应力应变曲线具有良好对应关系;数值模拟试验所得到的力学及声发射数据能够合理反映并补充声发射试验结果,两种试验方法获取的岩石损伤性质参数及其趋势规律基本一致;基于累计声发射计数构建损伤变量,据此可定量化分析试样及危岩失稳关键区的损伤演化状态。本研究对具有相同失稳模式的高陡危岩损伤特性分析具有重要参考。     

基于能量原理的岩石损伤研究

岩石是一种含有初始微缺陷的天然工程材料,由于岩石力学性质的复杂性,目前还没有建立成熟和实用的岩石损伤演化模型。针对前人模型存在的问题,以岩石的各向同性弹性损伤为例,根据最小耗能原理,在应变等效原理前提下提出了一种新的损伤演变模型,同时给出了岩石损伤临界值的计算方法。最后采用室内试验和数值分析软件分析花岗岩从细观损伤到宏观破坏的整个过程,得出了整个过程中的轴向应力应变关系曲线,并将其与经典的Marzars损伤理论、数值模拟曲线进行对比研究,发现基于最小耗能原理的损伤演变方程更能反映岩石的损伤过程,且更符合实际情况。