基于应变的岩石类脆性材料损伤研究

在三轴压缩条件下岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏两种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和实验室试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，岩石应变破坏准则的变化与抗压强度准则、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。     

脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

 脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论：(1) 以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2) 岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3) 采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。     

脆性岩石变形与破坏的细观力学模型研究

 岩石的变形破坏与裂纹的发育过程密切相关。将岩石的变形分解为: 岩石介质的变形、张开裂纹的闭合、滑移引起的变形和由于分支裂纹扩展引起的变形。研究了岩石微裂纹的闭合、滑移、扩展以及相互作用的过程, 并给出了裂纹扩展在各阶段引起的宏观变形。将上述三种机制引起的变形叠加, 得到加载过程中岩石的应力2应变关系;与试验数据对比显示, 两者的应力2应变关系吻合较好。     

脆性岩石损伤与热传导特性的细观力学模型

 基于均匀化方法给出低孔隙率脆性岩石在热–力耦合荷载作用条件下的各向异性损伤模型和有效热传导特性模型。其中,损伤模型可考虑非等温条件下裂纹的法向压缩变形、刚度恢复以及裂纹的滑动剪胀特性,热传导特性模型可反映损伤过程中细观结构的演化以及裂纹形态、孔隙率和饱和度变化对岩石有效热传导特性的影响。讨论低孔隙率结晶岩裂纹形态和饱和度对其有效热传导特性的影响;采用瑞典Äspö闪长岩在三轴压缩条件下的应力–应变曲线验证损伤模型的有效性,并分析岩石在损伤演化过程中裂纹体积率、密度、形态、饱和度和有效热传导特性的演化规律。研究成果对于深部岩体的热–力耦合特性研究具有一定参考意义。     

脆性岩石破坏的演化细胞自动机(ECA)研究

演化细胞自动机模型是以细胞自动机方法的基本理论为基础,结合岩石力学的基本原理提出的。演化细胞自动机模型认为脆性岩石的应力–应变关系在细观上符合理想线弹脆性本构关系,在宏观上则认为脆性岩石材料是一种非均质的材料,并假定脆性岩石材料的非均质性符合Weibull分布。演化细胞自动机模型突破以往细胞自动机只有一类细胞的限制,采用包含节点细胞和三角形细胞在内的两类细胞的邻居模型。该方法以位移、力、应力和应变等矢量和张量作为系统的基本变量,将张量和纯量定义在三角形细胞中,而将矢量定义在节点细胞上,两类细胞共同形成细胞空间。在演化细胞自动机系统中,两类细胞互为邻居,依据模型所建立的局部作用规则进行演化,并且按照以修正的莫尔–库仑准则为依据建立的破坏演化规则进行破坏演化,分别考虑了由拉伸和剪切两种原因所引起的破坏情况,进而实现对脆性岩石材料加载及破坏过程的模拟。     

脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论:(1)以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2)岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3)采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。     

饱和岩石的应变率效应和各向异性的机理探讨

在MTS上对南京砂岩和大理大理岩进行了应变率为l0^-5～l0^-2/s的单轴压缩试验，试验结果得出砂岩、大理岩具有各向异性，相对来说大理岩的各向异性要弱一些。同时，大理岩和砂岩随应变率的增加强度增大，具有明显的应变率效应．对饱和岩石的应变率效应和各向异性作了分析得出饱和液体起到了促进各向异性和应变率效应的作用。     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

脆性硬岩CWFS强度准则模型等效塑性参数优化研究

 为探究适应脆性硬岩加载破坏的强度准则,以杏山铁矿混合花岗岩为对象,根据室内试验获得岩石物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴(?3 = 40 MPa)刚性加载试验进行模拟。通过岩石全应力–应变试验与模拟曲线、AE声发射与裂纹监测成果等综合比较研究,获得荷载作用下混合花岗岩细观力学特性及微宏观破裂演化规律。在此基础上,结合岩石单轴刚性加载试验曲线,裂纹数、摩擦力能量与轴向应变关系曲线,以及FLAC模拟,对脆性硬岩黏聚力弱化–摩擦力强化(CWFS)强度准则模型参数进行优化研究与验证。获得杏山铁矿混合花岗岩CWFS强度准则模型参数：初始黏聚力为23 MPa,残余黏聚力为4.3 MPa,初始摩擦角为0°,残余摩擦角为46.3°,临界塑性应变 , 分别为0.001 5,0.003 7。该研究成果对杏山铁矿露天转地下开采围岩体破坏机制和力学本构关系研究和工程稳定性分析等具有重要的意义。     

岩土材料最大主剪应变破坏准则的推导

屈服和破坏是2个不同的概念,是材料变形过程中的2个不同阶段。在应力空间中,理想塑性的屈服面在材料变形过程中始终保持不变,而在应变空间中,后继屈服面与初始屈服面大小相同,但中心位置随着塑性变形的增大而移动。所以传统的基于应力空间的各种准则无法判断材料破坏与否,而基于应变空间进行表述则能克服这一局限。据此,建立基于最大主剪应变的岩土材料延性剪切破坏应变准则;根据正常固结饱和土排水和不排水三轴试验结果,分析应力和体积应变（排水）或孔隙水压力（不排水）随应变的变化规律,并利用ANSYS对上述三轴试验进行数值模拟,计算结果与试验结果所得规律一致,表明取试样进入临界状态起始点的应变作为破坏极限应变容许值是合理的。最后,详细推导出最大主剪应变的计算公式,并针对几种常用屈服准则给出计算示例。     

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上，利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起，利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明，基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理；纯Ⅱ型裂纹的断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系（纯Ⅱ型裂纹的起裂角是某个定值时），而与其他岩石力学参数没有关系。     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

 针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

岩土类介质强度准则新探

在分析Mohr-Coulomb强度准则和双剪统一强度准则的基础上，提出了主剪面应力对以及主剪面应力对的作用这2个新概念，并以此为出发点，通过考虑十二面体单元主剪面上所有3个主剪应力对的共同作用，提出了一个有关岩土类介质的新强度准则。对该准则所作的极限线分析、应力摩尔圆分析、中间主应力效应曲线分析、破坏角分析以及实验对比分析表明，所提准则均能较好地反映岩土类介质的强度和破坏特征。     

基于统计损伤理论的莫尔-库仑岩石强度判据修正方法之研究

首先，引进基于莫尔-库仑岩石强度判据的岩石微元强度表示方法，从岩石微元强度服从Weibull随机分布的角度出发，基于岩石三轴应力-应变试验曲线建立了特定围压下反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型；然后，通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与围压的关系对模型参数进行了合理修正，从而建立出更加符合实际的岩石三维损伤软化统计本构模型；最后，存此基础上，根据岩石屈服或破坏的概念，重点探讨了利用多元函数求极值的方法建立岩石强度判据的途径，从而对莫尔-库仑岩石强度判据进行了合理修正，修正后的莫尔-库仑岩石强度判据与实测结果及莫尔-库仑岩石强度判据比较表明，其具有明显的优越性。     

高地应力条件下围岩劈裂破坏的判据及薄板力学模型研究

 对于处在高地应力下的脆性围岩中的地下洞室群,开挖时洞室围岩容易出现纵向的劈裂裂缝,导致脆性开裂,形成劈裂性平行大裂缝组,通常会伴有剧烈的变形破坏发生,如岩爆等,将危及工程使用的安全性。首先从劈裂裂纹的贯通机制出发,在断裂力学应力强度因子分析的基础上,根据劈裂裂纹的扩展过程确定围岩发生劈裂破坏的判据,然后通过该判据判断围岩的应力状态,确定劈裂范围,并将劈裂围岩视为薄板模型。根据柯克霍夫平板理论检验薄板模型的适用性,在薄板模型的基础上建立劈裂范围内围岩的临界应力、位移的解析计算公式。以瀑布沟水电站为工程背景,将劈裂判据编成FISH语言内嵌到FLAC3D中,计算得到围岩的劈裂破损区。在此基础上利用薄板力学模型计算其临界应力和最大位移,并与数值计算结果吻合较好,表明所提出的劈裂判据和薄板力学模型能够较准确地预测围岩劈裂破坏范围和计算劈裂围岩的应力和位移,可以为高地应力下地下工程的稳定性评价及支护设计提供参考。     

基于Hoek-Brown准则的板岩强度特征研究

 建立在岩体各向同性基础上的Hoek-Brown经验强度准则被广泛地应用于地下和边坡工程的设计与安全评估。但Hoek-Brown准则不能直接用来处理层(片)状岩体如板岩或页岩以及含有1或2组优势结构面岩体的强度问题,因为这类岩体往往沿层(片)理或优势结构面破坏,必须对准则加以改进。基于对Hoek-Brown经验破坏准则的深入研究,通过对层状岩体完整岩石试件定义的改进,提出用Hoek-Brown准则的一个很重要的参数,即完整岩石试件的单轴抗压强度 来表征层状岩体强度随层面倾角的变化规律以及应用Hoek-Brown准则来分析层状岩体强度的方法。按照该方法对南水北调西线工程场区不同层面倾角板岩岩石试件进行单轴、三轴压缩试验。根据对试验结果的统计分析,确定不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的相关参数,建立不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown强度准则。此外,还获得完整岩石试件的单轴抗压强度 随层面倾角的变化规律,建立南水北调西线工程场区板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的统一表达式,并预测围压为10,15,20和25 MPa下南水北调西线工程场区板岩岩体的三轴强度随层面倾角的变化规律。本文的工作可以为类似工程提供借鉴。