拉伸载荷作用下混凝土蠕变-损伤破坏过程数值模拟

在材料破裂过程分析MFPA2D系统的基础上,考虑混凝土损伤过程的时间因素影响,引入混凝土细观单元蠕变本构方程,建立考虑流变效应的混凝土破裂过程蠕变-损伤相互作用的MFPA2D数值模型,并应用该模型模拟研究轴向拉伸恒定持续荷载作用下混凝土的蠕变破坏过程,数值模拟得到混凝土蠕变破裂的典型三个阶段:初始蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段,模拟结果揭示了混凝土的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果。模拟结果同实验室试验所观察到的试验现象吻合,这表明考虑流变效应的MFPA2D数值模型适用于模拟混凝土的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。上述数值结果对大坝混凝土工程的混凝土结构的工程设计施工及损伤断裂控制等的研究具有重要的理论指导和实践意义。     

含预制裂纹岩石试样在动载荷作用下破裂模式的数值模拟

本文利用岩石破裂过程分析系统（RFPA）研究了含有不同角度预制裂纹的岩石试样在动态载荷作用下的破坏过程。数值模拟表明：应力峰值较小时,试样的破裂模式与静态载荷作用下的破裂模式相似;应力峰值较大时,试样的破坏区主要集中在试样顶端。在相同的应力峰值务件下,试样的最终破坏模式基本不受预制裂纹的倾角的影响。数值模拟得到的破裂模式与实验结果比较吻合。     

温压耦合作用下岩石动态破坏过程和机制研究

温压耦合是深部岩石(体)的典型赋存环境。为揭示温压耦合下岩石的力学特性和破坏规律,采用实验和数值仿真相结合,研究岩石在不同温度和轴向静压力作用下的动态破坏过程,数值模拟再现温压耦合作用下岩石动态破坏性质的变化规律,给出温压耦合作用下岩石的动态破坏模式以及不同温度和不同轴向静压作用下破坏形态的差异。结果表明,在温度作用下,岩石发生膨胀导致热应力的产生;在相同轴向静压、不同温度作用下岩石的破坏形式相似,但是随着温度的升高,试样表面自由膨胀引起应力释放,而在试样内部会产生应力聚集,破碎更为粉碎。     

动载荷条件下波长对岩石试件破坏模式影响的数值模拟

简单运用岩石破裂过程分析RFPA系统研究了均匀与非均匀岩石试样杆在不同波长冲击载荷作用下的剥落过程。数值模拟较好地再现了均匀岩石试样杆在不同应力波波长条件下的不同破坏模式,且数值模拟结果与解析理论结果具有较好的一致性。并在此基础上,进一步研究了非均匀性岩石试样杆在不同波长的冲击载荷作用下的剥落形式及其与均匀岩石试样杆破坏模式的差异。结论表明:RFPA程序能够较好地模拟均匀与非均匀杆在不同应力波波长作用下发生剥落破裂的过程;试件破坏模式不仅与断裂的强度有关,还与作用在试件上的持续时间有关;试件的破裂不仅与应力波的峰值以及波长有关,而且还与岩石的非均匀性密切相关。     

不同围压作用下岩石损伤破坏的数值模拟

利用RFPA2D对岩石在不同围压下损伤破坏演化过程进行了数值模拟 ,基于岩石损伤定义分形维数以描述试样在各种加载条件下微破裂的演化过程。计算结果表明 :分形维数和损伤变量随着荷载的增加逐渐增大 ,岩石的起始损伤随着围压增加而被延迟 ,试样强度随着围压的增加而增加 ,其宏观破坏符合Mohr -Coulomb破坏准则。     

动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

运用 ANSYS 软件对花岗岩 在单一静载、动载和动静组合载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明：静载破岩时岩石中的裂纹扩展范围比冲击破岩时广,形成的破碎角大;冲击载荷破岩时岩石中的裂纹扩展速度比静载时快,形成的破碎角较小;动静组合载荷破岩时破碎深度和裂纹扩展面积比单一静载或动载时均大,破岩效果优于单一加载模式。在多功能岩石破碎试验装置上对花岗岩分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,进一步表明动静组合载荷破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势,能大幅度提高破岩效果。不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果达到最优。     

中低速冲击载荷下巷道内裂纹的动态响应

 由于爆破开挖,巷道内常含有径向裂隙,并影响巷道的稳定性,为了详细地研究含径向裂纹巷道在冲击载荷作用下的动态断裂行为,采用砂岩材料制作巷道模型试样进行中低速冲击动态断裂试验,并采用AUTODYN有限差分软件进行数值模拟分析。分析巷道对称轴线上的径向裂纹在冲击荷载作用下的扩展特性及止裂现象,并采用试验–数值–解析法计算出裂纹的起裂韧度及扩展速度等参数。研究结果表明：(1) 巷道围岩在静力载荷作用和动力载荷作用下的破坏行为有较大差异,动力载荷下破坏仅是裂纹尖端处的起裂、扩展;而静力载荷下破坏除了发生在裂纹尖端处,也会在巷道拱肩、拱脚及两侧帮处发生破坏。(2) 巷道对称轴线上的裂纹在冲击载荷下的扩展路径大致沿着裂纹的原方向扩展,扩展路径中存在明显的止裂现象。(3) 采用试验–数值–解析法能够较好地计算出裂纹的起裂速度及扩展速度,进一步采用位移外推法能够求解出巷道内裂纹的动态应力强度因子时程曲线,利用测试的裂纹起裂时间确定起裂韧度。     

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。     

岩石破裂过程的数值模拟研究

考虑不同粒度组成和缺陷分布的岩石,对其裂纹扩展,演化过程的影响,建立数学模型,应用ＲＦＰＡ程序分析了均质度对岩石类脆性材料在外载作用下的裂纹扩展、演化过程的影响,和相关的实验结果进行对比,指出均质度对材料破坏过程的决定性影响。     

岩石的劈裂和卸载破坏机制

 概括含缺陷的岩体结构模型,并利用其研究岩石在加载和卸载时内部出现的拉应力及其对岩石破坏模式的影响。为模拟深部岩体的赋存环境,研究3种受力条件下的岩石应力状态：单轴无侧限压缩、具有初始静水压力时的加载和初始静水压力作用下岩石的卸载。分析表明,无论是加载还是卸载,岩体中均将出现局部拉应力。在加载情况下,岩体中出现的拉应力有可能导致平行于加载方向的劈裂;而在卸载情况下,岩石中将在缺陷处形成平行于卸载方向的拉应力。岩石中出现的拉应力主要与岩体内缺陷的物理参数、初始应力大小和卸载速率有关。对卸载时初始应力和卸载速率对缺陷应力集中的影响进行分析,结果表明：卸载速率越快,缺陷处的应力集中越大,若缺陷尺寸较大,岩体中的局部拉应力和初始应力近似成正比。根据得到的局部应力表达式,在深地下工程中,快速卸载将必然导致岩体的拉伸破坏。     

动静组合载荷作用下岩石失稳破坏的突变理论模型与试验研究

应用突变理论分析了受一维静载岩石系统的稳定性及变化规律,建立了一维静载岩石系统在动载作用下的非线性动力学模型,发现静载岩石系统自振频率变化规律,以及动载作用与一维静载岩石系统的响应存在非线性关系,当动载力幅和频率达到一定值时,会引起一维动静组合加载岩石系统振幅的突跳,从而引起岩样子系统的失稳破坏,在一维静载岩石系统动载作用演化过程中,动载信号强度的大小起着决定性作用。上述理论分析与一维动静组合载荷岩石系统的失稳破坏试验结果是吻合的。     

层状岩体中洞室围岩层裂及破坏的数值模拟研究

非均质性是岩石类材料的基本特性,均质度的不同使得岩石表现出不同的力学特性和失效特征。基于RFPA?8程序,对层状岩体中洞室围岩的层裂及破坏进行了数值模拟,得到了层裂结构的层裂板厚度。同时,研究结果表明,对于岩石材料,其均质度对受压岩体内裂纹的演化具有重要意义。对于不同均质度范围,洞室围岩将表现出较高均质度的层裂破坏或较低均质度的局部弱化失效两种特点。     

高温后砂岩静、动态力学特性研究与比较

 通过在SHT4206电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统上对高温作用后砂岩分别进行静、动载荷加载试验,系统地分析比较了热作用后砂岩在静、动载荷加载下的破坏模式、峰值强度和峰值应变的差异,并从微观角度探讨温度对岩石力学性质的影响。研究结果表明：(1) 高温后砂岩的动态力学特性与静态力学特性相比变化显著,随着温度的升高,静载荷时岩石破坏模式表现为劈裂破坏并伴随着脆性断裂,而动载荷作用时岩石破坏模式表现拉伸破坏;(2) 静、动载荷作用下的峰值强度随着温度的升高而明显降低,且基本呈线性关系,静载荷作用下,平均峰值强度从126.37 MPa降到64.76 MPa,降低幅度为48.8%,动载荷作用时,平均峰值强度从176.3 MPa降到83.1 MPa,降低幅度达到了52.9%;(3) 静、动载荷作用下的峰值应变都随温度的升高而增大。温度引起的热应力和微结构的变化导致砂岩力学性质发生改变,以及不同加载方式引起试样内部孔隙扩展和微裂纹的生成方式不同,导致其抵抗外力变形的能力存在差异。     

静力循环加载与动力重复冲击下岩石破坏全过程对比试验研究

 采用岩石刚性试验机和分离式霍普金森压杆分别对岩石试件进行静力循环加载和动力重复冲击试验,获得2种载荷下的应力–应变关系曲线,特别是得到难以获取的动力重复冲击下破坏全过程的应力–应变关系曲线。对比2种载荷作用下的应力–应变曲线,除应变率效应外,两者有诸多相似之处：破坏过程均是渐进的,经历了屈服、开裂、粉碎等阶段;在应力–应变关系上大致都可分为弹性、强化、软化和残余等几个部分;过极限承载点后承载能力和模量都逐渐降低。对比试验研究表明,可通过岩石的静力循环加载试验结果来大致推算动力重复冲击下的基本力学特性。     

岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析

岩质边坡的稳定性主要由其结构面控制，采用有限元强度折减法对岩质边坡破坏机制进行了数值模拟分析。计算表明，破坏“自然地”发生在岩体抗剪强度不能承受其受到的剪切应力的地带。分析表明，根据塑性力学破坏原理，采用有限元强度折减法有助于对岩质边坡破坏机制的理解。算例表明了此法的可行性。     

岩石声发射规律数值模拟初探

提出了岩石声发射规律数值模拟的基本设想和框架，并以有限单元法为例就具体实施的几个关键问题作了简述，包括单元的划分、单元参数的赋值、声发射率的计算。本文给出了一个计算实例，所得结果包括岩石声发射的时间序列和空间序列分布。     

岩石破坏演化细观非均质物理元胞自动机模拟研究

在传统元胞自动机基本理论的基础上,根据岩石结构细观非均质的特性和前人研究的基础,引进双参数Weibull分布,建立了一个改进的细观非均质物理元胞自动机模型,并利用该模型对不同均质度岩石材料的破坏演化进行动态模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟

处于深部的岩体内部积累了大量的弹性应变能，在外部动力扰动下这些能量以非常猛烈的方式释放，从而导致岩爆的发生。模拟不同侧压力系数条件下动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的整个过程，并揭示动态扰动触发巷道岩爆的力学机制。数值模拟结果表明，动态扰动对巷道变形与破裂的触发与地应力状态密切相关；动态扰动应力波的波形也是影响巷道破裂的重要因素，随着应力波幅值和应力波作用时间的加长，动态扰动给巷道稳定性带来的影响越大。因此，对动态扰动触发巷道破坏的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。     

预制裂纹岩石压剪试验的数值模拟分析

采用岩石破裂过程分析软件RFPA^2D对预制裂隙大理岩试样的压剪试验进行数值模拟。数值分析表明，次生裂纹基本沿裂纹尖端萌生和扩展，所形成翼裂一股逐步趋向与荷载方向一致，这和试验结果是相吻合的。尽管某些数值分析结果和试验结果并不完全符合，但数值分析的模型和参数基本上有效地模拟了真实岩体介质的不均质性等力学特性。同时，采用该软件分析了加工小孔对裂尖应力状况的影响，加工小孔的存在对试验结果有一定影响，但并没有实质性影响。其影响主要在两方面：一是使翼裂起裂角变大，扩展路径变曲折；二是使材料更易于在裂尖引发二次(剪切)裂纹。最后，对锯齿形裂纹模型进行了初步的数值模拟。     

地震作用下边坡岩体动力稳定性数值模拟

 以金沙江龙蟠边坡变形岩体为例,采用人工合成地震动为输入条件,并考虑超静孔隙水压力的作用,运用离散单元法进行边坡岩体的全时程动力分析,探讨地震作用下边坡岩体的动力响应规律及稳定性。数值模拟结果表明：地震惯性力的作用引起剪应力的积聚效应;岩体结构面对岩质边坡的地震动力响应起控制性作用;边坡最危险状态是地震刚刚开始时由静态到动态所发生的巨大系统改变之时;地震作用导致岩体变形破坏的主要机制是剪应力积聚和超静孔隙水压力累积效应的耦合作用。同时,计算结果还表明,龙蟠边坡变形岩体在遭受地震时不会发生整体性的远程滑动,这一结论对金沙江宽谷坝址的抉择具有重要的工程应用价值。