层状裂隙岩体弹塑性损伤断裂模型与岩质高边坡稳定分析

本文研究了层状裂隙岩体的弹塑性损伤断裂模型。文中按岩体等效柔度张量定义损伤张量,并对层状裂隙岩质高边坡的变形破坏过程建立了损伤演化方程,提出了包含软弱薄层塑性滑移与裂隙损伤扩展耦合性态的本构关系。最后将其应用于某水电站左坝肩高边坡开挖形成过程的稳定性分析中。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发，建立了裂隙岩体介质的尖流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论，探讨了复杂应力状态一湍体在压前、拉剪应力状态下损伤的演化方程，提出了渗透胀量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场事模型。     

裂隙岩体精细化数值模型构建与爆破模拟

裂隙岩体爆破数值模拟过程中，裂隙分布模型的真实性，是影响数值模拟结果的关键因素之一，现有节理裂隙构建方法难以实现三维分布上的复杂表征或是实现操作过于繁杂。为探索在LS-DYNA软件中构建三维分布上真实、复杂表征的节理裂隙模型简单可行的操作方法，通过MATLAB软件对爆破数值模型K文件进行解析重组，按照节理裂隙三维分布规律进行勾勒并赋予节理裂隙材料本构，构建出符合节理裂隙分布规律的节理岩体三维精细化数值模型。以某露天石灰石矿山为实例，开展节理裂隙三维分布规律统计分析并在台阶爆破数值模型中进行还原，基于裂隙岩体精细化数值模型，开展露天台阶爆破数值模拟试验和现场爆破试验对比研究。结果表明：采用解析重组方法构建的数值节理模型与实际节理裂隙的误差小于13%;节理裂隙面使岩体内的损伤分布规律发生了变化，与完整岩体相比，损伤范围增加了12.04%,粒径处于0～100 mm的占比降低了8.11%;爆破模拟得到的损伤结果与现场破碎效果接近，统计粒径在0～100 mm之间的碎块的占比，误差为4.16%。解析重组法构建三维节理裂隙，可行、操作简便，数值模拟结果接近实际。     

考虑裂隙岩体爆破损伤的装药结构研究

装药结构是改善裂隙岩体爆破效果的重要因素,结合某隧道爆破掘进工程,通过地质雷达现场岩体损伤探测及柱状装药爆破损伤理论估算,获取隧道掌子面前部裂隙岩体爆破损伤规律,并提出基于其爆破损伤规律的装药结构。雷达探测发现:隧道掌子面前部裂隙岩体受爆破开挖损伤明显,Ⅳ级岩体的裂隙区范围最大值约2.4 m,Ⅲ级岩体为1.8 m,均位于下一装药区域内,理论计算与雷达探测结果基本一致。利用获得的掌子面前方裂隙岩体的爆破损伤规律,提出了"减药非连续装药"装药结构,可减少裂隙区炮孔二分之一装药量。实践证明:该装药结构能提高爆破有效能,降低工程成本与围岩损伤。     

裂隙岩体的损伤本构模型探讨

从岩体合大量做裂隙的情况出发,考虑岩石的变形初始非线性及其破坏以前的变形特征,建立了类似于Leckie等人形式的损伤演变方程,并根据岩体所含孔隙度的不同提出了不同的模型。     

光固化3D打印在复杂裂隙岩体研究中的探索

由于岩体结构的复杂性,如何重构含裂隙网络的物理模型试件是岩石力学试验研究面临的难题之一。本工作提出了一种基于光固化3D打印技术的裂隙网络类岩石试件制备方法。结合数字图像相关方法对裂隙网络类岩石试件加载过程进行非接触式全场变形测量,并引入应变场方差这一指标,定量研究了裂隙岩体变形破坏演化规律及前兆异常特征。试验结果表明：采用光固化3D打印技术可实现裂隙岩体的复杂物理模型重构。裂隙网络类岩石试件的变形破坏过程类似于真实裂隙岩体,可划分为压密、弹性变形、裂纹扩展以及峰后阶段,其应力-应变曲线出现峰后多台阶式跌落特征。综合强度参数、峰后力学特征和试验过程中块体弹射现象来看,制备的3D打印试件可用于模拟裂隙硬岩。采用数字图像相关方法可实现裂隙岩体变形场的动态捕捉,其变形破坏过程表现出明显的应变局部化特征。加载过程中应变场方差的演化过程可划分为初始分异、稳定分异、加速分异以及加加速分异阶段。应变场方差在新生裂纹萌生后呈现出持续增长的趋势,而在进入不稳定裂纹扩展阶段后呈现为陡增趋势,可视为两个前兆点。研究成果可为复杂裂隙岩体的物理重构以及失稳预警提供新的思路。     

岩体损伤流变模型及其有限元分析

本文运用流变力 损伤理论，提出了一个损伤演化方程来描述岩体 性质随时间不断弱化的现象，从而给出相应的有限元解。     

岩体爆破破碎的分形损伤模型

本文提出了一个岩体爆破破碎的分形损伤模型，认为岩体爆破破碎的过程是岩体内原有裂隙发育和损伤增长的过程，且在此过程中，裂隙发育和损伤积累都具有分形特征。在此模型的基础上编制的计算模拟程序可对岩体内的三维损伤分布进行计算，并可对爆破漏斗进行模拟。现场试验与模拟结果吻合很好，说明了该模型的合理性。     

裂隙岩体爆破抵抗线参数分析

本文对裂隙岩体的爆破抵抗线参数进行分析，提出了裂隙岩体爆破阻力矢量的研究方法。以单元结构体作为主要研究对象，建立爆破阻力矢量与岩体实际阻力之间的关系模型。由此建立抵抗一的关系式。     

裂隙岩体爆破数值模拟研究

岩体中的裂隙直接影响到爆炸应力波在岩体中的传播,进而影响到爆破效果。针对宏观闭合裂隙岩体的特点,采用LS—DYNA与离散元软件3DEC相结合的方法,分别模拟了含1条裂隙、2条平行裂隙和2条相交裂隙岩体中爆炸应力波的传播特点。结果表明,台阶爆破中应力波的分布并不均匀,应力波主要朝自由面的方向传播;闭合型宏观裂隙阻碍爆炸应力波的传播,岩体中裂隙越多,最小主应力降低的越快,2条裂隙时,炮孔附近的拉应力降低了约30%。     

循环荷载作用下粉砂岩疲劳流变损伤模型研究

针对现有流变模型难以有效描述循环荷载作用下岩石变形及疲劳损伤演化特征等问题,开展了粉砂岩循环加卸载试验,分析了不同上限荷载下岩石的流变规律与疲劳特性。基于Kachanov蠕变损伤理论建立损伤变量,引入一个带应变触发和应力阈值的黏塑性元件,与Burgers模型串联构建循环荷载作用下岩石疲劳流变损伤模型;将正弦波应力函数替换流变微分本构方程中的恒定应力,推导岩石在循环荷载下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到模型的黏弹塑性流变损伤方程。适用性验证表明,新建模型不仅可以精确地反映循环加卸载过程中粉砂岩的衰减、稳态流变阶段,还可以有效地描述上限荷载高于疲劳强度时的加速流变阶段。通过粉砂岩疲劳损伤流变全过程定量化分析,提出加速流变阶段的临界损伤阈值和破坏失稳判据,并给出加速流变阶段的启始时间、持续时间及疲劳寿命预测方法,模型对岩体工程长期稳定性评价具有一定的理论指导意义。     

Nonlinear creep damage constitutive model for soft rocks

In some existing nonlinear creep damage models, it may be less rigorous to directly introduce a damage variable into the creep equation when the damage variable of the viscous component is a function of time or strain. In this paper, we adopt the Kachanov creep damage rate and introduce a damage variable into a rheological differential constitutive equation to derive an analytical integral solution for the creep damage equation of the Bingham model. We also propose a new nonlinear viscous component which reflects nonlinear properties related to the axial stress of soft rock in the steady-state creep stage. Furthermore, we build an improved Nishihara model by using this new component in series with the correctional Nishihara damage model that describes the accelerating creep, and deduce the rheological constitutive relation of the improved model. Based on superposition principle, we obtain the damage creep equation for conditions of both uniaxial and triaxial compression stress, and study the method for determining the model parameters. Finally, this paper presents the laboratory test results performed on mica-quartz schist in parallel with, or vertical to the schistosity direction, and applies the improved Nishihara model to the parameter identification of mica-quartz schist. Using a comparative analysis with test data, results show that the improved model has a superior ability to reflect the creep properties of soft rock in the decelerating creep stage, the steady-state creep stage, and particularly within the accelerating creep stage, in comparison with the traditional Nishihara model.     

基于非线性疲劳损伤的沥青路面轴载换算

为了建立沥青混合料的非线性疲劳损伤演化方程, 同时为完善沥青路面的轴载换算方法, 首先进行沥青混合料的配合比设计, 确定矿料级配及最佳油石比, 然后从损伤力学基本理论出发, 定义模量衰减为其疲劳损伤参量, 由此推导得到了疲劳损伤方程, 并以此方程对小梁直接拉伸疲劳试验结果进行拟合, 得到了模型参数和损伤随应力比的变化规律, 建立了沥青路面轴载换算新方法。结果表明:沥青混合料的疲劳损伤演化具有明显的非线性, 用Miner线性疲劳损伤理论来描述沥青路面疲劳损伤演化过程不合适, 由此推导得到的轴载换算方法偏不安全, 建立在非线性疲劳损伤演化基础上的轴载换算方法考虑了加载历史和损伤历史的影响。     

Koyna混凝土重力坝的塑性地震损伤响应分析

考虑了混凝土拉压异性损伤变量，根据相关流动法则推导了混凝土的损伤本构方程。通过有限元方法模拟坝体在地震激励下的非线性损伤演化过程，数值计算过程中考虑了库坝动力耦合及混凝土后继屈服的强化效应，采用四参数Ottosen屈服准则及相应的损伤型本构，算例验证了Koyna混凝土重力坝在竖向和横向实测地震激励下的非线性损伤响应特性。     

考虑体积塑性应变的岩石损伤本构模型研究

采用Eshelby等效夹杂方法建立岩石弹塑性损伤本构模型是一种有效方法,但相关文献目前还极少。在连续介质损伤力学框架内利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了考虑损伤相塑性体积变形的岩石的Helmholtz自由比能函数。利用连续介质损伤力学方法推导出了考虑损伤相塑性变形的岩石损伤本构关系,给出了损伤演化方程和塑性应变发展方程。并通过数值模拟证实该模型能够反映岩石体积塑性应变、损伤的变化规律和损伤部分不能承受拉应力等力学特性。     

考虑时效损伤劣化的变参数非线性蠕变损伤模型

应力长期作用下岩体内部损伤不断累积、扩展,导致部分承载单元丧失承载能力,使得岩体内部真实应力强度大于表观应力。该文以流变学理论为基础,将损伤因子引入弹性元件及黏性元件中,给出弹性损伤元件及黏性损伤元件的蠕变特征方程,用以描述持荷过程中由于损伤累积而呈现出蠕变与时间相关的非线性变形特征;然后以弹性损伤元件及黏性损伤元件的蠕变特征方程为基础,给出考虑损伤效应的经典组合模型的蠕变状态方程,并依据稳定蠕变过程中蠕变变形的组成特征,构建了用于描述软岩稳定蠕变的五元件变参数非线性蠕变损伤模型,同时给出了蠕变损伤组合模型的蠕变变形特征方程;最后以江西东乡铜矿砂质页岩稳定蠕变阶段实验数据为基础,分析并验证了蠕变损伤模型在描述软岩非线性蠕变特征方面的准确性及适用性,拟合结果表明:引入损伤因子的蠕变模型元件,能够很好的描述蠕变的时效-非线性特征。     

Fatigue life prediction based on natural frequency changes for spot welds under random loading

Fatigue tests were carried out on tensile-shear spot-welded specimens under random loading; at the same time, natural frequencies at different life stages were measured. Test results were compared with that under constant amplitude loading. The relationship between damage and natural frequency change ratio established under constant amplitude loading is here modified. The nonlinear damage evolution equation was established using the damage represented by frequency change for spot welds. The fatigue life of spot welds under random loading was predicted with this damage evolution relationship using the rainflow counting method results, as well as other life prediction methods with different counting methods. Comparison of life prediction results showed that the method using changes of natural frequency can be an on-line approach and the predicted lives have a good agreement with the experimental data.     

On the nonlinear viscoelastic behaviour of nylon fiber

Nonlinear time-dependent stress relaxation was determined experimentally in nylon fiber in the small strain domain. This process is accounted for on the basis of a quasi-linear viscoelastic theory. A nonlinear modified constitutive equation for the viscoelastic medium is deduced. In processing the experimental data it turned out to be necessary to keep the nonlinear terms up to cubic in the constitutive equation for nylon fiber. The elastic and rheological constants in the constitutive equation for nylon fiber are evaluated.     

二氧化碳相变致裂软岩实验研究

为了研究二氧化碳相变产生的高压气体动态破岩的机理,通过建立设有分布式光纤传感器的物理模型结合数值模型的方法,研究了二氧化碳相变致裂煤体的内部效应,得到了二氧化碳相变高压气体动压破岩的机理及岩体裂隙、强度和二氧化碳相变气体压力等参数之间的关系。研究表明:气体准静压破坏煤体主要集中在煤体强度薄弱的区域,且气体压力要高于煤体破坏的最低极限值;原生裂隙会改变二氧化碳相变致裂煤体的空间范围和煤体的破坏程度,原生裂隙与炮孔之间的夹角越小、距离越近,越明显。     

软化与硬化特性转化的岩石损伤统计本构模型之研究

首先将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,通过引进岩石材料屈服或破坏的能量原理,建立岩石损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立能够反映岩石破裂全过程的统计损伤演化方程,进而建立特定围压下的岩石损伤统计本构模型;最后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立出反映不同围压条件下的岩石破裂全过程的统一三维损伤统计本构模型。该模型参数少,便于工程应用,尤其是它能够反映岩石软化与硬化特性随围压变化而相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。