基于能量法的混凝土循环加卸载动态损伤特性

为了从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性,利用大型动静力三轴仪对边长为150 mm的立方体混凝土试件,进行不同侧应力、不同应变速率的循环加卸载试验。用改进的Najar能量法,确定了一种新的损伤变量计算方法,对比分析了改进后的混凝土损伤演化曲线与试验所得混凝土应力-应变包络曲线,将修正后的Weibull-Lognormal损伤本构模型对试验数据进行拟合分析。结果表明:新的损伤变量计算方法简单,物理意义明确;改进后的混凝土循环加卸载损伤演化曲线可以分为三个阶段,损伤不变阶段、损伤加速发展阶段、损伤稳定发展阶段;选用的塑性变形公式与试验结果拟合较好;经过修正后的混凝土损伤本构模型能较好地模拟混凝土循环加卸载条件下的应力-应变包络曲线。     

分级加卸载下砂岩蠕变试验及模型研究

采用分级加卸载方式,利用五联流变实验系统对陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司砂岩进行单轴蠕变试验。针对岩石蠕变的衰减、稳定和加速三阶段特征,将Burgers模型中串联的牛顿体的黏滞系数修正为与应力、时间相关的函数,考虑损伤在蠕变过程中的影响,基于损伤理论和Lemaitre应变等价性假说,建立损伤体模型。将Hooke体、Kelvin模型、修正牛顿体和损伤体四者串联组成一个新的非线性损伤蠕变模型,推导新模型的本构方程和蠕变方程,该模型以一个统一的函数描述岩石在不同应力水平下的蠕变曲线。基于单轴蠕变试验结果,对模型参数进行辨识和敏感性分析,将新模型与试验蠕变曲线对比。结果表明:模型能很好地拟合岩石蠕变,模型无须采用分段函数即可描述砂岩蠕变的全过程,弥补了Burgers模型无法描述加速蠕变的不足,从而验证新模型的合理性。     

岩石损伤软化统计本构模型参数的确定方法

本文探讨了岩石损伤软化统计本构模型参数与岩石软化变形破裂过程的应力应变全曲线的特征参量的理论关系，建立了本构模型参数新的确定方法。该方法通过常规试验所得到的峰值点的应力应变值即能确定整个本构模型的其它参数，再将峰值点的应力应变值与围压的关系进行拟合，即能将该模型推广成任意围压下的岩石损伤软化统计本构模型。试验表明，本文模型曲线能较好地反映岩石破裂的全过程。     

考虑裂纹闭合影响的岩石变形破坏过程模拟研究

岩石内部裂纹的分布对岩石损伤本构关系影响很大,然而目前的岩石损伤本构模型较少考虑裂纹的影响。为建立考虑裂纹闭合影响的岩石变形破坏模拟方法,引进裂纹闭合系数,假设岩石的微元强度符合Harris分布函数,建立了考虑Harris分布和裂纹闭合效应的新型岩石损伤本构模型。基于极值法确定了Harris分布参数,开展室内粉砂岩力学试验并借鉴其他岩石数据验证模型的合理性。结果表明,模型曲线与试验曲线匹配较好,提出的模型能揭示岩石的变形破坏规律,反映岩石的残余强度和延性特征及裂纹闭合效应的影响;对岩石破坏的损伤演化过程进行的分析符合“S”形曲线规律,能够较好地反映岩石的变形阶段划分。     

基于能量守恒修正的混凝土损伤本构模型

为了改进传统的混凝土损伤本构模型,采用TAW-2000试验系统对养护3 d和28 d的混凝土试样进行了三轴力学特性试验,并通过混凝土加载过程中的能量计算方法,确定了混凝土变形过程中的总能量、弹性能和耗散能,根据能量守恒原理建立了可描述混凝土应力-应变关系的修正本构模型。通过模型曲线的对比验证了所建立本构模型的合理性和优越性,并明确了模型参数的物理意义。结果表明：以往本构模型曲线在混凝土应力-应变曲线峰后阶段具有较大的偏离度,而修正的本构模型曲线在应力-应变曲线峰后段的吻合度要更优。模型参数γ可较好地反映混凝土的脆性和延性特征,模型参数n可较好地反映混凝土的强度特征。     

一种新的岩石损伤软化本构模型

结合岩石微元强度提出了损伤变量的新形式,据此建立了新的岩石损伤软化本构模型.根据岩石三轴试验,可确定该模型中表述损伤变量的双参数.算例表明,该岩石损伤本构模型能反映岩石应变软化性状.     

高温损伤后岩石动态损伤本构模型

为了研究高温损伤后岩石动态本构模型,通过组合建模的方法,引入裂隙体,并与损伤体串联,经理论推导,最终建立了高温后岩石全过程动态本构模型。随后开展了25~600 ℃温度处理后的花岗岩动力冲击试验。研究结果表明:随着温度升高,花岗岩动态峰值应力减小,弹性模量则先增大后减小;核磁共振测试结果能够定量描述高温引起岩石内部孔隙以及孔径分布,T2谱面积随温度升高呈现指数增长规律;试验结果验证了高温损伤后岩石动态损伤本构模型的适应性,理论计算结果与试验数据相关性达0.98以上;裂隙体参数a和b控制了应力应变曲线压密段的曲线形状,且曲线对参数a更为敏感。     

岩石(体)应力扩容试验及本构进展研究

对目前国内外岩石(体)应力扩容机制的室内试验及本构模型研究进行了系统的分析与总结,得到以下结论:描述应力作用对岩石体积膨胀的影响,可用峰前扩容,峰后碎胀来定义;在加载、卸载两种情况下岩石(体)均可产生扩容,但后者的扩容变形要大于前者;围压或中间主应力对扩容具有抑制作用;岩石本构中要采用不相关联流动法则,且能体现扩容特性...     

轴向循环加载卸载条件下饱和软土变形特性试验研究

研究循环加卸载条件下软黏土的强度和变形特性具有一定的工程实践价值。利用自行改进和研制的连续加载一维K_0固结仪对饱和软土进行轴向循环加卸载试验。结果表明:各级卸载应力-应变曲线是双曲线,再加载曲线应力-应变关系在上级卸载载荷之前为双曲线,超过卸载载荷为直线,呈现不断硬化的现象,试样产生塑性变形和弹性变形,且塑性变形和弹性变形分别与卸载等级呈线性关系;以原有双曲线本构关系为基础,利用各级加载轴向最大应力和初始切线模量,卸载曲线的轴向最大应变和初始割线模量,引入新的模型参数,从而建立轴向循环加卸载的本构方程,并验证了其可靠性。对各级塑性滞回能进行了计算,随着卸载应力水平的增大,塑性滞回能不断增大,且通过拟合加卸载过程中消耗的塑性滞回能与卸载应力水平呈良好的二次曲线关系。     

单轴压缩下砂岩断裂试验及细观统计损伤模型

岩石是典型的非均匀性材料,含有裂纹、颗粒胶结面等缺陷,建立三维岩石损伤破裂本构模型,真实模拟岩石宏细观力学特性,是岩石损伤力学中的首要问题之一。通过赋予损伤后细观单元一定的承压能力,使其成为"接触单元",模拟压缩状态下的物质接触愈合作用,建立考虑细观单元残余强度的统计损伤本构模型,给出损伤变量的演化规律,采用Weibull双参数分布模拟岩体细观参数的非均匀性和随机性,编制程序实现了三维模型的单轴压缩计算。开展圆柱形砂岩单轴压缩物理试验,将基于细观统计损伤模型的计算结果与物理试验结果对比。结果表明,数值模拟结果与砂岩单轴压缩试验中宏观弹性模量及单轴抗压强度一致,应力应变曲线相吻合。基于考虑细观单元残余强度的本构模型可以准确模拟砂岩试样逐渐从细观损伤累积到集聚成核断裂扩展直至破坏的全过程,数值模拟最终破坏形态特征与物理试验一致。验证了模型的有效性,为进一步采用本构开展不同荷载条件及岩体工程分析应用奠定了基础。     

岩石卸荷力学特性及本构模型研究进展

近年来,国内外一些学者基于围压卸荷试验,对岩石的卸荷力学特性和本构模型进行了大量的研究,取得了丰硕的成果。卸荷条件下岩石的强度特征、变形规律和破坏模式与加载状态相比有着显著的区别,通过围压卸荷试验可以发现,卸荷条件下岩石张性裂缝发育,扩容显著,通常呈张剪性破坏,且卸荷速率、围压和应力路径等因素均对其变形破裂机制有着较大的影响。卸荷条件下岩石的本构模型通常分为唯象学本构模型和细观力学本构模型,唯象学模型忽视了岩石卸荷渐进破坏的演化机制,细观力学本构模型则未考虑微裂纹群及数学简化引起的误差等,这些问题使得未来的卸荷岩石力学研究工作充满了机遇与挑战。     

基于场应变的充填体与围岩组合模型循环加卸载试验研究

为模拟研究充填采场围岩破裂演变机理,设计了充填体与围岩组合模型,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对不同种类岩石模型试样进行了不同侧压力条件下的循环加卸载试验;通过VIC-3D非接触全场应变系统同步监测模型试样损伤破坏过程,基于试验过程中应变场的演变,对组合模型破裂机理进行了分析。研究表明:充填体能够增强围岩的完整性及强度;组合模型的破裂经历了一个扩容的过程;不同侧压下循环加卸载应力-应变曲线形成多塑性滞回环,岩性越软滞回现象越显著;应变场在低循环荷载时近似均匀场,高荷载时在加载非均匀场与卸载均匀场之间变换,渐呈应变局部化特征;张拉应变区首先出现在强度比较低的充填体区域,并随荷载增大逐渐向两侧的围岩移动,充填体与围岩变形具有时空非同步性与破坏形式差异;不同种类围岩破坏形式不同,强度较低的呈剪切破坏,强度较高的则为拉伸破坏。结果表明场应变演变可较好地表征充填采场围岩破裂过程。     

节理岩体宏微观损伤耦合的三维本构模型研究

提出了考虑宏微观损伤耦合的节理岩体本构模型,其中微观损伤模型采用基于应变强度准则和岩石微元强度服从Weibull分布的统计损伤模型,把其应用于被节理切割而成岩块。节理岩体损伤张量计算是该模型的一个关键问题,在已有的二维问题损伤张量计算方法的基础上对三维问题损伤张量计算方法进行了讨论。结果表明,所提出的本构模型能够较好地反映宏、微观两类损伤对岩体力学性能的影响。也能够较好地反映试件强度随围压的变化规律,因而较为合理。更多还原     

水压力作用下岩石统计损伤本构模型研究

为了探究水压力对岩石损伤的影响,在多孔材料弹性理论框架内,利用有效应力原理,结合连续损伤力学和统计理论把霍克-布朗(Hoek-Brown)准则作为微元体强度破坏准则,建立水压力作用下的岩石统计损伤本构模型;并根据残余强度和峰值强度的关系对损伤变量进行修正,使模型能够更好地反映岩石峰后阶段的软化特征。通过室内试验进行模型验证和参数分析,结果表明:建立的模型能够较好地反映水压作用下岩石的应力-应变关系;随着水压力的增大,模型参数n呈增大趋势,岩石的脆性度增高,参数F₀呈减小趋势,岩石的强度降低;峰值点法在确定模型参数时优于曲线拟合法。研究成果对于水压力作用下岩体工程的安全分析有一定的参考价值。     

循环荷载作用下岩石损伤试验研究

针对循环荷载作用下的岩石损伤特性,对岩石进行循环加卸载试验,基于加卸载响应比探究岩石损伤演化规律,得出如下结论:在分级循环加卸载过程中,试件在1级加卸载时损伤量很大,进入2级加卸载之后,损伤量相对较小,且增加缓慢,而围压越大损伤量均值增加也越缓慢,而其破坏也越加彻底。试件在1级加卸载过程中方差最大,其后的加卸载中方差曲线逐渐趋于水平。在试件破坏后期,方差会有回弹。在加卸载过程中试件会出现膨胀—收缩—膨胀的循环。     

泥质白云岩干湿循环力学特性试验研究及其本构模型

水岩相互作用一直是研究的热点课题,水岩相互作用使岩石性质劣化,影响岩石的强度。以泥质白云岩为研究对象,进行了干湿循环作用后的单轴和三轴压缩试验,研究了不同循环作用下岩石的强度、变形等力学特性,并运用连续损伤力学和统计理论,推导出干湿循环作用下岩石的损伤统计本构模型。试验结果表明:泥质白云岩峰值强度随干湿循环次数增加而减小;泥质白云岩在单轴压缩试验中,岩石的总劣化度随干湿循环次数增大呈增大的趋势,而各阶段的劣化度和平均劣化度逐渐降低并趋于稳定;三轴压缩试验中,岩石的总劣化度随围压增加而总体呈现先减小再增加的趋势,较高次的循环对岩石的强度影响大于较高的围压作用对其影响;岩石的弹性模量随干湿循环次数的增大呈总体减小的趋势。通过对比理论曲线与试验曲线可知,本构模型能够较好地反映岩石三轴应力-应变关系,验证了该模型的合理性。     

考虑残余强度和阈值影响的岩石弹性损伤统计模型

基于统计学理论和损伤理论,考虑岩石的残余强度和损伤阈值影响,建立了三轴压缩条件下岩石损伤统计模型。以损伤模型为基础,利用岩石在低围压作用下应力应变的极值特性,导出了模型参数的统一求解方法。通过与试验数据的对比和验证发现:以Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则计算岩石微元强度比以轴向应变函数计算岩石微元强度能更好地反映岩石的力学特性,说明了岩石的破坏进程与其应力状态密切相关;为考虑残余强度,引入损伤变量修正系数,在此基础上提出一种求解该修正系数的新方法,从而使得模型得出的理论曲线能很好地接近试验数据;以屈服点的微元强度为损伤阈值点,避免了损伤系数在低荷载下不在[0,1]之间的情况。最后通过分析岩石损伤变量的变化过程,证明了该模型可以很好地反映三轴受压状态下岩石的应力-应变关系。     

正弦波下砂岩ms级损伤预测模型

为获得毫秒(ms)级正弦波损伤变量预测模型,对岩样在不破坏情况下进行了不同波形不同频率的轴向力加卸载试验。提出了不同步时间段的定义,进而获得不同峰值荷载下不考虑不同步时间条件下的动态泊松比分别与即时荷载、即时横向长度、即时轴向高度之间的线性关系,从而得到线性关系中系数与峰值荷载间的拟合公式,即可联立不同已知条件,通过少量几个加载力峰值下的试验数据,对任意峰值荷载下动态泊松比与相关参数间的线性关系进行预测。以此为基础研究得到,在误差允许的范围内,采用动态泊松比与即时横向长度的线性关系,推导出体积应变、损伤变量的计算公式和方法,可以很好地对加卸载过程中岩样的体积应变、损伤的变化做出ms级的精确预测,也为在已知少量循环试验下获得岩石动态参数,即可对ms级的损伤进行精确预测的模型提供了方法。     

岩质隧道开挖稳定性脆弹塑性损伤分析

岩质隧道的施工过程是典型的卸载力学过程.由于岩体在加载和卸载条件下应力路径的不同,仅采用加载条件下所建立的力学模型来研究隧道的开挖稳定性问题是不适合的.笔者从隧道围岩的力学性能及破坏机理出发,引入损伤力学理论,建立三维非线性脆弹塑性损伤有限元模型,研究在加、卸载条件作用下隧道施工全过程的围岩稳定性,为实际工程提供理论指导作用.