岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

三维大理岩弹塑性损伤及细观破坏过程数值模拟

目前对于岩石细观破坏的研究取得了一些进展,但在许多工程领域不能简单地采用弹性损伤模型分析,而要考虑岩石细观局部塑性变形对岩体强度和稳定性的重要影响.因此,基于应变空间理论导出弹塑性损伤细观模型,提出破坏单元网格消去法模拟裂纹扩展,程序自动删除损伤度为1的细观单元,使该单元在下一步计算中失去作用,利用高性能并行计算实现岩石三维破裂过程的数值模拟.对大理岩三点弯曲试样I型及I-II复合型裂纹的破坏过程进行数值模拟,研究裂纹穿晶和绕晶破坏问题,给出裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响.计算结果表明,考虑岩石细观局部塑性变形时的岩体稳定性要大于不考虑局部塑性时的稳定性,仿真试验和物理试验吻合较好,由此说明所提出的岩石弹塑性损伤破坏模型的正确性和有效性;裂纹尖端晶体强度影响穿晶和绕晶的破坏模式;破坏单元网格消去法解决有限元模拟裂纹扩展的难题,给出的模型和方法可付诸于实践.     

大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏研究

在应变空间内,推导出弹塑性损伤增量本构方程,通过自编程序实现该本构方程,同时将此程序实现了并行算法;建立了三点弯曲梁二维及三维细观尺度数值试样,分别进行相应地弹塑性损伤破坏数值模拟,作了相应的对比分析,在数值模拟中,提出破坏单元网格消去法,模拟裂纹扩展。研究发现:数值试验同物理试验较吻合,且与理论分析是一致的;由于三维试样细观单元的非线性比二维在空间上更为离散,由三维细观单元弹塑性损伤非线性反映宏观试样的非线性,更能深入地研究细观破坏机理;提出的破坏单元网格消去法为有限元清晰模拟裂纹开辟了新的途径;并行算法程序的实现为应用于大型三维水利水电工程奠定了基础。     

非均匀性岩石破坏过程的三维损伤软化模型与数值模拟

通过建立岩石三维细观损伤软化力学模型,结合统计技术考虑岩石细观非均匀性,编制了岩石破裂过程分析软件RFPA3D,模拟了单轴压缩下不同细观残余强度下的三维应力场变形场分布以及破坏形态,分析了细观结构非均匀性和残余强度对岩石损伤软化过程和宏观力学性能的影响。结果表明,岩石损伤破裂过程中应力–应变关系、残余变形特征和峰值强度不仅与结构相关,而且与细观损伤软化模型、细观非均匀性和残余强度紧密相关。     

循环载荷作用下岩石单轴压缩破坏过程的平面弹塑性细胞自动机模型

采用平面弹塑性细胞自动机模型在细观尺度上模拟应变软化岩石类材料的单轴压缩破坏过程。在平面弹性力学细胞自动机的基础上,推导分析平面弹塑性问题的细胞自动机更新规则,开发二维岩石弹塑性细胞自动机数值模拟软件;模拟不同均质度岩石的单轴压缩破坏过程,并在应力峰值后区考虑反复加卸载过程。模拟得到的岩石单轴压缩条件下的全程应力-应变曲线与典型的加卸载应力-应变试验曲线吻合较好,模拟得到的声发射曲线很好地反映出岩石声发射的Kaiser效应。     

深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟

 由于颗粒流程序(PFC)对岩石基本力学特性的描述是从颗粒间接触状态及其变化特征入手,因此PFC能够克服由于岩石本身细观特性所造成的描述上的困难,实现在岩石模型中对细观结构的模拟,而这些都是传统断裂力学理论无法解决的。针对锦屏深埋大理岩在破裂过程中表现出的时间效应,通过在平行黏结模型中引入损伤速率概念形成平行黏结应力腐蚀模型(PSC),结合室内大理岩静态疲劳破坏试验,确定PSC模型中的相关细观力学参数。利用PSC模型对锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应的模拟,分析在不同驱动应力比作用下大理岩的变形特征、裂纹特征和破裂特征。研究结果表明,利用PFC能够展现出与岩石破裂过程相符的细观特征,而这些细观表现有利于更好地理解脆性岩石强度的时间效应。     

岩石损伤破坏过程中分形与逾渗演化特征

通过细观非均匀单元破坏事件的累积来反映岩石宏观上的逐渐损伤,而通过分析破坏单元的三维空间位置来建立岩石破坏过程中的分形和逾渗模型,并采用RFPA3D软件来模拟不同随机分布的岩石在单轴加载条件下的破裂过程,研究岩石在逐渐损伤破裂过程中的微破裂的分形与逾渗演化特征。微破裂的分形和逾渗特征反映了岩石的非均匀程度,岩石损伤破裂分形维数随着均质度和单轴抗压强度的增加而变小。逾渗分析也表明,在非均匀程度较高的岩石中破坏单元分布更为弥散。当外加载荷逐渐增加时,破裂集团和分形维数都表现出逐渐增加的趋势,但外载达到临界值时,应力突然下降的同时伴随着破裂单元急剧增多、破裂集团合并减少以及微破裂、分形维数增加等突变行为。模拟结果表明,岩石破裂过程中的分形和逾渗变化的规律性并不是偶然的,不同层次(不同尺寸)的岩石材料其力学行为具有的自相似性才是问题的本质。     

基于相场方法的岩石弹塑性损伤模型研究及其数值实现

岩石材料损伤破坏的研究对岩体工程的稳定性评价至关重要,基于热力学原理,在经典相场损伤模型框架中引入塑性本构模型和硬化准则,借助塑性耗散能驱动下的塑性硬化阶段和峰后软化阶段损伤演化方程,建立一种岩石弹塑性相场损伤模型,并给出其数值实现。通过对比相场损伤均质响应模拟结果和解析解,验证塑性损伤耦合条件下该模型的正确性和可靠性。采用该模型,模拟岩石二维和三维复杂裂纹扩展,研究含预制裂纹岩石试样的塑性剪切损伤破坏过程,计算结果与已有试验结果吻合较好。该模型能自动、准确地跟踪岩石复杂裂纹扩展路径,有效描述岩石的损伤演化规律以及塑性变形与非局部相场损伤之间的耦合效应,可进一步应用到模拟实际工程岩石损伤破坏及稳定性问题。     

具有统计损伤的岩石弹塑性本构模型研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了岩石的弹塑性损伤统计本构模型，在该模型中采用了总体应变与各组成相间应变关系与总体应力与各组成相间应力关系不一样的假设，并用最优化方法确定该模型参数。建立的模型能够反映岩石破坏前应力．应变关系和轴向应变．横向应变关系，与试验结果比较表明该模型是合理的。     

基于细观层次橡胶混凝土单轴受压力学分析

基于随机骨料模型,从细观上对处于轴向荷载作用下的橡胶混凝土进行了二维及三维细观力学分析.利用瓦拉文公式和富勒公式分别计算出二维及三维情况下的橡胶混凝土细观骨料数,把橡胶混凝土各相分别划分为二维四节点四边形单元和三维四面体单元,分别给细观各相赋予相应的材料属性并建立有限元计算模型.计算结果表明:在二维情况下,该模型的计算速度快,得出的应力、应变与试验吻合较好,而三维计算模型模拟的破坏形态与试验结果比较一致.     

基于残余强度变形阶段特征的岩石变形全过程统计损伤模拟方法

岩石应变软化变形破坏全过程模拟是岩石力学研究的重要内容。首先在分析岩石应变软化变形全过程不同阶段变形特征基础上,针对现有岩石损伤模型难以反映岩石破坏后仍具残余强度特性的不足,假设受载岩石可抽象为损伤和未损伤两部分材料组成,其所受轴向荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力为残余强度,建立出可反映岩石破坏后仍具残余强度特征的新型损伤模型;其次,引进统计损伤理论,在探讨岩石微元强度合理度量方法的基础上,考虑岩石损伤阀值的影响,建立可反映岩石变形全过程特征的岩石统计损伤演化模型;然后,利用上述岩石损伤模型和损伤演化模型建立出可模拟岩石应变软化变形全过程的损伤统计本构模型,并建立其模型参数确定方法,该模型能较好地反映岩石峰后残余强度阶段变形特征;最后,通过实例分析与讨论,并与其他同类模型分析结果进行比较分析,表明本文模型与方法的合理性与优越性。     

节理岩体裂隙扩展过程一种新改进的弹脆性模拟方法及应用

 通过改进原有的FLAC3D本构关系为弹脆性本构,并采用超细单元划分法,模拟和研究双裂隙岩石试件在单轴、双轴加载作用下的破坏过程。数值计算结果与前人试验所得到的相应结果具有良好的一致性。用此方法还模拟了4条2组不同倾向裂隙的破裂过程和椭圆形三维单裂隙的扩展过程,且三维数值模拟结果与前人试验也有很好一致性。最后,将该模型引入到某边坡开挖工程的裂隙扩展过程研究和稳定性分析中,取得较好效果。     

考虑空隙压密阶段特征的岩石应变软化统计损伤模拟方法

为建立能很好地反映岩石变形破坏全过程模拟方法,针对现有岩石统计损伤本构模型难以反映初始压密阶段变形非线性的局限性与不足,首先,在充分探讨空隙岩石变形机理基础上,采用宏观与微观相结合的分析方法,将空隙岩石抽象为岩石骨架和空隙两部分组成,建立空隙岩石变形分析模型;然后,在探讨空隙部分变形机理基础上,考虑空隙压密引起变形的不可恢复性特征,建立空隙部分变形分析方法,同时,引入统计损伤理论,建立岩石骨架变形分析方法,进而建立模拟空隙岩石变形破坏全过程的统计损伤本构模型,并给出了其参数确定方法。该模型不仅能反映空隙岩石的应变软化特征,而且,还能较好地反映空隙岩石在初始压密阶段的变形非线性特点。最后,通过试验曲线、本文及现有同类模型理论分析曲线的比较,表明了该模型与方法的合理性与优越性。     

考虑围岩性质劣化的深埋软弱隧道破坏机理数值模拟研究

介绍劣化损伤本构模型在FLAC3D中的二次开发流程以及本构模型中软弱围岩力学参数的选取原则。然后利用FLAC3D劣化损伤本构模型对高速铁路客运专线双线深埋隧道(Ⅳ、Ⅴ级别围岩)损伤破坏机理进行数值模拟研究,分析围岩应力场特征从而确定压力拱边界,在此基础上说明深埋隧道围岩受力分区特点;接着对埋深、侧压力系数、围岩级别对受力分区的影响进行数值模拟研究。研究结果表明:FLAC3D劣化损伤模型可以描述深埋隧道开挖损伤区域的损伤程度,揭示深埋隧道破坏机理即深埋洞室围岩稳定性丧失的区域集中在沿最小主应力方向的"楔形"区内;深埋隧道开挖后受力分区:由隧道洞壁往外依次为劣化损伤严重区-压力拱拱体-原岩应力区;埋深、侧压力系数、围岩级别对隧道围岩受力分区范围有很大的影响。     

盾构管片接头破坏的弹塑性–损伤三维有限元模型研究

分别采用弹塑性本构和弹塑性损伤本构,建立盾构管片接头三维有限元模型,模拟正负弯矩下接头压弯破坏全过程。与实验对比后表明:初始加减阶段采用弹塑性本构和损伤本构得到的结构变形曲线基本重合,且与试验值吻合较好;荷载进一步加大后,采用损伤本构进行分析,其结果更接近试验值,且可更好地模拟结构承载力下降过程。通过有限元网格的收敛性分析,证明网格划分的合理性并给出此类有限元模型网格大小的建议值。最后根据数值模拟结果给出管片接头健康评价指标。     

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。     

深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究

 为模拟分区破裂的产生条件和破裂机制,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程,通过多种测试手段获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律,从巷道围岩的破裂现象及其应变和位移的变化规律,有效揭示深部巷道围岩分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究深部巷道围岩的非线性变形破坏机制奠定坚实的试验基础。     

岩石剪切破坏全应力-应变性状

The investigation of complete stress-strain behavior andcompressive failure behavior of some Hong Kong rocks are carried out. A large number of tests have been conducted to study the deformation and failure features of rocks. Some interesting test results have been obtained. These results show that localized deformation and failure strongly affect the deformation and failure process of the specimens just prior to the peak stress and in the post-peak stage. The two types of failure modes, namely exfoliation and shear failure have been investigated in detail. For the exfoliation failure mode, an experiment method has been proposed to observe the exfoliating process. A proposed model has been used to explain the influence of exfoliation on the gross stress-strain curve. It is found that the exfoliation during loading may be one of the reasons that a granite specimen exhibits Class Ⅱ behavior. The influences of machine stiffness control modes, end constraints, loading rate and confining pressure on the test results have been discussed and investigated. A new classification method of rock failure has been proposed. Special attention has been devoted to the investigation of the localized deformation and failure process of intact rock in the shear failure mode. A test method is proposed to detect the process. It is found that the deformation of rock material may be divided into three stages: namely uniform stage, pre-peak bifurcation stage and post-peak bifurcation stage. This phenomenon has been explained by a proposed qualitative analysis. It is further found that this localized process will significantly influence the shape of stress-strain curves, that is, the localized deformation is one of reasons that rock displays the effect of length to diameter ratio. A constitutive model is proposed to simulate the localized deformation and failure process. It can simulate the strain softening, strain localization, effect of length to diameter(L/D) ratio, unloading-reloading respons, and elastic modulus degradation, etc. Based on the model, a new strength criterion expressed by the relative shear displacement is proposed. This criterion captures the complex features of peak strength of rock such as the size effect.