基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grain based model,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性.对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值...     

基于TOUGHREACT的岩石水力损伤耦合数值模型研究

从细观力学角度出发,充分考虑水-力耦合条件下岩石细观特征及其演化,结合热力学理论,建立基于TOUGHREACT的岩石细观水力损伤耦合数值模型.模型可较好地考虑任意微裂纹滑移剪胀、损伤扩展和法向压缩闭合等细观力学行为对岩石宏观变形破坏、渗透性演化和水流运动过程的影响.采用室内煤岩注水破坏试验成果对数值模型的正确性和有效性...     

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

 采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。     

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。     

巴东组泥岩水作用的特征强度及其能量演化规律研究

为探讨饱水作用对巴东组泥岩的强度参数与变形特性及其能量演化的影响规律,进而建立力学特性、能量演化以及微裂纹发育三者间的内在联系,首先开展天然与饱和状态下泥岩的单轴压缩试验,采用应变曲线法确定特征强度,定量比较分析泥岩特征强度的劣化规律和能量参数的数值差异,深入挖掘泥岩水岩作用过程中的能量转化特征,据此给出泥岩饱水软化机制的能量解释。试验发现饱水作用对泥岩力学特性的影响表现为特征强度降低、脆性变形减弱、塑性变形增强、各变形段差异明显,对泥岩能量演化的影响表现为饱水后岩石吸能与释能性质减弱、耗能性质增强、各段的能量分配规律不同。随后,基于试验数据依托颗粒流软件虚拟实现同等条件下的数值试验,分析模拟试样微裂纹发育特征与能量演化的相互影响和相互作用,揭示泥岩能量演化的微细观机制。结果表明颗粒流理论在从细观力学角度解释岩石损伤破坏机制方面具有优越性,为岩石非均质特性的微细观研究提供了新的手段。     

锦屏一级地下厂房大理岩变形破裂细观演化规律

脆性大理岩的变形破裂与其内部微裂纹的扩展贯通密切相关,其宏观力学响应取决于细观结构构造;因岩石内部的封闭性,难以掌握其内部微裂纹的发育演化机制。基于三维颗粒流理论,通过引入 BPM 模型和超级单元clump技术,并依据锦屏一级地下厂房大理岩的SEM矿物成份检测结果,建立基于矿物形状的大理岩细观结构模型,在对细观力学参数敏感性分析的基础上,根据室内单轴和三轴压缩试验结果确定大理岩的细观力学参数,构建大理岩的细观力学数值模型,对不同应力状态和应力路径下大理岩的变形破裂演化及扩容孕育过程进行数值模拟分析。研究结果表明：大理岩细观力学数值模型所描述的宏观力学响应与室内试验结果具有很好的一致性;单轴或低围压时微裂纹呈缓慢-急增的指数型增长趋势,高围压时微裂纹呈缓慢-急增-缓慢的近似S型增长趋势;随着围压的增加,张拉裂纹所占比例逐渐减少,剪切裂纹所占比例逐渐增加;与相同初始围压时的加载应力路径相比,卸载应力路径下岩石峰值应力对应的轴向应变小,张拉裂纹所占比例高,且随卸载过程逐渐起主控作用,最终形成张性宏观破裂面,体现了大理岩卸荷扩容效应更为显著且脆性更强。在不同应力状态和应力路径下,张性裂纹扩展控制机制和剪切裂纹摩擦控制机制相互作用,此减彼增逐步过渡。研究结果从细观尺度上揭示锦屏一级大理岩扩容孕育机制,为正确认识和把握锦屏一级地下厂房洞室群施工期围岩大变形形成机制以及岩体卸荷破裂规律提供基础。     

基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型研究

为准确表征岩石细观裂纹扩展演化过程的力学特性。基于唯象理论,将岩石细观结构概化为完整岩石微元体、裂纹扩展损伤微元体和孔隙三个部分;利用微元体间的静力平衡关系,构建岩石细观受力模型。在此基础上,根据岩石裂纹扩展演化特征,提出利用生物阻滞增长模型表征岩石裂纹扩展长度;基于几何损伤理论,建立裂纹扩展长度与损伤的定量关系,构建岩石裂纹扩展损伤演化方程;并利用断裂力学求解裂纹扩展损伤微元体的实际应力;通过将裂纹扩展损伤和损伤微元体实际应力引入岩石细观结构静力平衡方程,考虑软岩压密阶段非线性变形的影响,建立基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型;最后,提出模型参数的确定方法,并探讨模型参数对岩石力学性质的影响规律。结果表明：该模型能较好表征岩石裂纹扩展过程的应力应变特征,与实验结果吻合度较高,且模型参数物理意义明确。     

基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明：通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。     

基于单轴压缩的岩体破坏机制细观试验研究

 岩石在荷载作用下产生宏观破坏,其断裂面的细观形态变化,可以间接地反映岩石内部损伤演化进程,并与其宏观力学状态和结构破坏特性之间存在必然联系。主要对巴西劈裂试验和剪切试验试样的断裂面进行电镜扫描,总结典型力学特征下试样断裂面的细观形貌特征,建立裂纹断裂面细观形貌与宏观力学特性匹配的判断标准。进而对含不同倾角预制单裂纹试样单轴压缩试样的破坏全断面进行细观扫描分析,采用判断标准对其细观形貌判别,得到断裂面的拉剪应力分布权重,探究断裂面拉、剪应力分布随裂纹扩展过程的变化规律。试验结果表明：全断面拉剪应力权重与预制裂纹倾角有密切关系。预制裂纹倾角小于45°时,断裂面以拉应力为主,且随着裂纹扩展拉应力权重逐渐减小,剪应力权重逐渐增大;当裂纹倾角大于45°时,其结论与前述结论相反;预制裂纹倾角为45°时,拉、剪应力共同作用产生翼裂纹及次生裂纹2种扩展方式,翼裂纹扩展由拉应力主导向剪切应力主导过渡,次生裂纹扩展过程中主导应力变化规律与之相反。     

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。     

数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字图像相关方法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。试验通过数字图像相关方法测定裂纹尖端区域位移场数据,将位移场数据带入极坐标系下位移场方程,计算裂纹尖端位置和应力强度因子。试验结果表明：采用该方法可以准确的测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子、裂纹尖端位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究方法因不能准确测定裂纹尖端位置和扩展方向,而无法准确测定岩石应力强度因子的难题。     

数字图像灰度相关性用以描述岩石试件损伤演化的研究

岩石试件表面的数字图像可作为试件表面变形或裂纹扩展的信息载体。为从加载过程中记录的数字图像中分析出定最的信息，提出一种新的分析方法：计算两幅图像灰度的相关性，用灰度相关性的分布表征变形和破裂的发展。介绍了图像灰度相同关性的计算方法，并用模拟的变形和破裂图像验证了灰度相关性在表征变形与破裂上的有效性，最后用此方法对一个岩石结构加载过程中的图像序列进行分析。结果表明，图像灰度相关性分布的演化与结构的变形局部化演化在空间和时间上都存在对应关系。因此，试件表面数字图像灰度相关性可作为描述岩石材料损伤演化的一种工具。     

带裂纹花岗岩试件三点弯变形演化及破裂机制

为建立岩石工程灾害精准预测预报体系,开展含预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验,研究岩石试样变形演化及破裂机制。以声发射技术和数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过矩张量反演方法研究岩石破裂类型。通过对岩石预制裂纹扩展长度及声发射振铃计数、能量和体积参数进行分析,研究岩石试件变形演化特征和破裂机制。研究结果表明:(1)三点弯岩石试样裂纹扩展具有明显的阶段性和不连续性,其过程为某次裂纹扩展 微裂纹静默积累-裂纹再次扩展;(2)预制裂纹扩展与不同破裂类型裂纹的声发射指标具有相关性。预制裂纹扩展时,张拉裂纹体积参数、能量和振铃计数随之出现;预制裂纹扩展前后,3种类型裂纹体积参数、能量和振铃计数随机产生;在预制裂纹长度保持稳定不变时,没有声发射信号产生;(3)裂纹扩展后到下一次裂纹扩展前,先是在贯通裂纹尖端附近随机出现各种破裂类型的裂纹,随着微裂纹的积累,贯通裂纹所主导的裂纹类型占比开始增加,直至产生新的贯通裂纹。     

含交叉裂隙岩石试样单轴力学特性与破坏机理

为系统性地研究节理岩体在单轴压缩试验条件下其力学特性及破坏机理,利用MTS-815岩石试验装置对完整岩石试样、不同构型单裂隙和交叉裂隙岩石试样进行单轴压缩试验,分析了各构型试样的力学参数及能量演化规律。与完整岩石试样力学参数相比,含单裂隙岩石试样的强度和弹性模量相对较小,含交叉裂隙岩石试样各项参数值最小。在加载过程中,含交叉裂隙岩石试样用于裂纹产生及发展的耗散能远大于完整岩石试样和含单裂隙岩石试样。一般地,含交叉裂隙岩石试样裂纹从预制交叉裂隙尖端起裂,首先贯通同侧预制裂隙形成反翼型裂纹,最终呈拉伸劈裂型破坏。     

岩石破坏动态变形场观测系统及应用

基于高速图像采集设备和数字散斑相关方法（DSCM）,建立了一套岩石破坏动态变形场观测实验系统,介绍了系统的组成和原理,重点阐述了用于岩石动态变形测量时光源的选择、采集速率的设置和图像采集的触发等关键技术。用此动态变形场观测实验系统可完成动（静）态载荷作用下岩石破坏瞬间试件表面图像的准确高速采集,并进一步完成变形场的定量分析。用设计的系统完成了岩石巴西圆盘实验和岩石I型裂纹动态断裂实验,对动态变形场观测实验系统的可行性和有效性进行了验证。观测系统获得的脆性岩石失稳破坏过程中动态、定量的变形场数据可为深入研究岩石失稳破坏机理提供基础的数据和认识。     

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量方法初探

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量法，是一种与传统测量完全不同的新方法，可以高效率地测量岩体裂隙。基于数字图像处理理论，针对裂隙图像的特点，对这一新方法进行了比较全面地探索，提出了裂隙图像的现场采集方法及其解译路线，重点研究了智能识别方法，并研发了相应的处理软件。按照上述解译路线，应用自编裂隙图像处理软件，对从野外实拍的典型数字裂隙图像进行了试算、分析和总结，初步证明了此解译路线的可行性。     

单轴压缩下含孔洞混合片麻岩破裂试验研究

针对地下隧道坚硬围岩破裂机制的复杂性,对含孔洞混合片麻岩进行单轴压缩试验,并实时观测含孔洞混合片麻岩加载过程中的破裂特征,获得了不同轴向应力下混合片麻岩孔洞周围初始裂纹、板裂裂纹和远场裂纹起裂和扩展过程。并根据混合片麻岩基本力学特性,采用应力平均化方法进行单轴压缩下含孔洞混合片麻岩初始裂纹和板裂裂纹的起裂分析,得到的应力平均解与试验结果基本符合,同时指出理论分析的不足之处,最后对孔洞大小的尺寸效应问题进行分析。     

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。     

单轴压缩作用下内置裂隙扩展的CT扫描试验

精选出一种与岩石较为接近的相似材料制作标准试件,并在其内部预置单币状裂隙,进行加载过程中的CT实时扫描试验。通过分析CT扫描图像,初步判定试件的破坏是由裂隙的损伤演化造成的。采用多种区域划分的方法,通过CT数及CT方差的对比分析,获得随载荷的不断增加裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹汇合贯通以及裂纹加速扩展、试件崩裂的损伤演化过程;同时,也得到初裂强度、翼裂纹扩展长度和自相似扩展长度等一些重要参数;将试件破坏前的应力、应变过程曲线分为4段,说明预置裂隙的损伤演化过程。     

基于数码图像土石混合体结构建模及其力学结构效应的数值分析

 基于数码成像原理分析,利用土石混合体中块石与土体颜色属性的巨大差异,提出基于数码图像的土石混合体结构模型自动生成方法,并开发相应程序,以最直接、快捷、准确地反映土石混合体的空间结构。在此基础上,利用有限元数值模拟技术分析土石混合体的力学结构效应,也即在单轴压缩条件下土石混合体的高非均匀与非均质引起其应力场的结构效应非常显著,试样内应力的分布基本受块石的分布与形状控制。研究结果可为工程提供一定的参考。