基于层状岩体宏细观结构的水力耦合数值模型研究

基于层状岩体宏细观结构,在热力学框架下推导水力耦合荷载作用下饱水层状岩体的各向异性多尺度损伤模型和渗透性演化方程,进而结合流体流动模拟开源程序TOUGHREACT建立层状岩体水力耦合数值模型。该模型可较好地考虑任意微裂纹损伤扩展、滑移剪胀和法向压缩闭合以及层面剪切滑移等力学行为,反映岩体内部微裂纹、层面等不同尺度结构变化对层状岩体水力耦合过程的影响。采用岩石注水试验成果对数值模型的可靠性进行验证,进而开展现场尺度层状岩体注水响应的应用模拟研究。模拟结果表明,注水引起的岩体损伤、水压力增高、层面张开、渗透性演化等水力耦合响应同时受微裂纹和层面结构变化以及层面空间发育特征的影响。层状岩体水力耦合响应的模拟有赖于内部宏细观结构的准确表征。研究成果对水力耦合条件下深部层状围岩工程扰动效应评价具有一定应用价值。     

考虑多尺度结构的贯通节理岩体损伤摩擦耦合模型

基于贯通节理岩体结构的多尺度特征,采用两步均匀化方法,给出了节理岩体在复杂荷载作用下的自由焓表达式,建立了节理岩体损伤摩擦耦合本构模型。模型可同时考虑岩块损伤扩展、微裂纹滑移剪胀、法向刚度恢复,节理面多阶凸起体滑移磨损、剪胀演化以及节理与岩块相互作用等特征,较好地反映岩体内部微裂纹、节理等不同尺度微结构变化对其力学特性的影响。采用Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验、花岗岩节理剪切试验以及不同节理倾角与不同围压下Martinsburg板岩三轴压缩强度试验等成果对模型进行了验证,模型预测值与实测值相当吻合,论证了模型的准确性。     

热–水–力耦合作用下结晶岩渗透特性演化模型

在热力学框架下,采用细观力学方法,建立热–水–力(THM)耦合条件下低渗饱水结晶岩的各向异性损伤模型,考虑非等温条件下微裂纹水压力作用、法向刚度恢复以及滑动剪胀等细观力学机制对岩石宏观力学性能的影响。在此基础上,采用均匀化方法,建立各向异性损伤诱发的岩石有效渗透特性演化模型,指出损伤岩石有效渗透特性下限估计模型的局限性,进而给出可反映损伤演化过程中微裂纹连通性等细观结构特征的岩石有效渗透特性上限估计模型。采用三轴压缩过程中花岗岩的渗透率变化、高温热处理后花岗岩的单轴压缩性能、TSX巷道开挖产生的围岩损伤与渗透率变化等室内外试验成果对模型进行验证。     

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。     

基于TOUGHREACT的岩石水力损伤耦合数值模型研究

从细观力学角度出发,充分考虑水-力耦合条件下岩石细观特征及其演化,结合热力学理论,建立基于TOUGHREACT的岩石细观水力损伤耦合数值模型.模型可较好地考虑任意微裂纹滑移剪胀、损伤扩展和法向压缩闭合等细观力学行为对岩石宏观变形破坏、渗透性演化和水流运动过程的影响.采用室内煤岩注水破坏试验成果对数值模型的正确性和有效性...     

软硬互层状岩体局部区域的细观非均匀特性研究

以锦屏工程地下厂房区典型软硬互层状岩体为研究对象,基于区域生长算法的图像分割技术表征岩体局部区域的细观结构特征,探讨获取区域生长算法中生长参数的方法;采用FLAC~(3D)差分程序,以比例关系映射方法建立与软硬互层状岩体岩样相对应的细观尺度均匀化网格模型。在此基础上,实现各组分基元力学参数满足Weibull分布的细观概率模型。并以程序内嵌的fish语言,实现考虑岩体局部细观结构及组分材料非均匀性时基元的弹–脆–塑性本构关系,建立互层状岩体局部区域细观数值模型,进而以多种数值模拟方案考察细观非均匀性对岩体力学行为的影响。结果表明,软硬互层状岩体的细观非均匀特性对其变形特性、强度特征、声发射规律及累计损伤过程影响显著。     

冲击加载下板岩压缩破坏层理效应及损伤本构模型研究

为探究动态加载条件下层状板岩的各向异性行为,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)获得江西层状板岩在高应变率下5组层理面倾角(θ=0°,30°,45°,60°和90°)临界破坏状态力学特征及破坏机制,进而利用元件组合模型理论,建立考虑宏观层理影响的层状岩体动态损伤本构模型。试验及理论分析结果表明:各层理角度试样应力–应变曲线峰值大小不同,但总体变化规律相近,均包含加载前期的弹性压缩阶段,中期的塑形阶段和塑性加强阶段,以及达到峰值后的峰后曲线;临界破坏状态下层理面在试样的破坏中起到重要作用,除θ=0°为穿越层理面的劈裂破坏外,其余层理倾角的破坏模式主要包括:偏向层理面方向的剪切破坏、沿层理面的滑移破坏和沿层理面的劈裂破坏。新建立的层状岩体动态损伤本构模型,综合考虑岩体自身微观损伤和宏观层理面损伤叠加影响,该模型不仅能较好地描述冲击条件下层状岩体应力–应变曲线变化规律,且峰值强度吻合较好,有助于更为准确地描述层状板岩在高应变率下变形破坏行为。     

基于均匀化理论的岩石细观力学损伤模型 及其应用研究

基于均匀化理论构建细观力学损伤模型的热动力学框架,提出运用Eshelby夹杂问题解的岩石损伤摩擦耦合模型.其中,岩石被认为是由弹性固体基质和裂纹构成的非均匀材料.在细观力学分析的基础上,首先导出裂隙岩体宏观自由能的一般表达式及相应的热力学力,进而采用库仑型滑动摩擦准则和非关联流动法则来确定非弹性应变的变化率;损伤的演化用修正的Mazars损伤准则来描述.该模型能够考虑岩石及岩石类材料在外力作用下的主要力学现象如非线性应?C应变关系、材料损伤的各项异性、裂纹面内损伤和滑移的耦合、静水压力对力学响应的影响、体积膨胀以及裂纹闭合效应等.用提出的细观损伤模型模拟大理岩的常规三轴试验.研究结果表明,模拟值和试验值之间有较好的一致性,从而验证了模型的合理性和有效性.     

预制双裂纹板岩各向异性细观尺度实验研究

 板岩是一种非均质、连续–非连续介质,包含有微裂隙、微孔洞和微构造等,在力学、渗流、热传导等诸多方面均表现出明显的各向异性。选取锦屏水电站辅助洞泥质板岩试样,采用超薄金刚石锯片在标准岩样上预制一对三维裂纹,并应用岩土CT实验技术,开展水平和垂直层理方向加载条件下裂纹演化的细观尺度观测,分别得到了天然和预制双裂纹板岩破坏过程的细观表现特征,对比分析了水平和垂直层理方向加载条件下板岩裂纹起裂、扩展和破坏模式的不同,并对基于密度统计的岩石细观损伤变量定义方法的局限性进行了分析和讨论,为研究板岩的力学各向异性提供了新思路。     

页岩水力压裂微裂纹扩展演化试验研究及力学机制分析

水力压裂技术在页岩气开采行业中应用广泛。然而，到目前为止压裂条件下裂纹扩展及渗透的力学机制尚不清楚。基于此，对页岩试样的水力压裂缝扩展演化及层理面激活的室内试验进行统计分析及力学机制的探讨。试验结果表明，页岩试样断面所观察到的微观尺度上的微裂纹并非宏观流体压力所致，因在试验中发现在微裂纹张开处产生压应力，与之相反的是：微裂纹是由扩展断裂前的拉应力集中产生的，这也意味着层理面激活是由沿层理面的裂缝扩展引起的。此外，对微裂纹长度的统计分析表明，页岩在断裂韧性方面表现出各向异性，并且垂直于层面的断裂扩展阻力比平行于层理面的断裂扩展阻力要大2倍之多。     

考虑结构面特性的层状岩体复合材料模型与应用研究

 层状岩体由于存在着定向结构面导致其破坏机制和变形行为与一般岩体相比,存在着显著的差异。为此,先通过独立考虑基岩和结构面的物理力学特性,提出层状岩体复合材料硬化–软化模型,以便用来描述这类岩体在强度和变形方面的各向异性以及渐进破裂(或滑移)特征。然后,采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,从而实现非线性数值计算功能。通过与经典理论解和已有模型数值解进行对比,以及对单轴和三轴压缩试验的数值模拟,表明该模型在描述上述这些特征方面是合适的。同时,这些压缩试验的数值模拟结果给出不同围压和倾角情况下层状岩体的力学响应特征,并初步探讨这类岩体的破裂(滑移)机制。最后,将该模型应用于典型边坡工程和洞室工程中,所得结果可以较好地解释工程现场的变形破坏现象,且与工程实践基本相符,验证该模型在工程应用方面的可行性。     

脆性岩石各向异性损伤和渗透性演化规律研究

 在压应力作用下,脆性岩石的渗透性随着裂纹的扩展而演化。通过试验观察和微观机制分析,提出渗透系数计算方法。在已建立的细观损伤力学模型的基础上,对摩擦准则和加载函数进行改进,采用改进模型模拟Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验。根据力学模型中得到的损伤变量和裂纹的法向、切向位移,引入连通系数描述裂纹扩展过程中,裂纹逐渐贯通形成渗流通道,采用立方定律作为单个裂纹中渗流方程,利用细观力学定义裂纹半径和等效开度,对各方向裂纹上的渗流速度进行平均化,得到渗透系数张量计算方法。采用此方法对Lac du Bonnet花岗岩现场试验结果进行模拟,比较轴向和侧向渗透系数的不同演化规律,预测不同围压条件下轴向渗透系数的演化规律。分析结果表明,模型的计算值与试验值非常吻合,验证了模型的适用性。     

Micromechanics of rock damage: Advances in the quasi-brittle field

Constitutive models play an essential role in numerical modeling and simulation of nonlinear deformation, progressive damage and failure of rock-like materials and structures. Recent advances in the quasi-brittle field show that upscaling methods by homogenization have provided a new efficient way to derive macroscopic formulations of rocks from their microstructure information and local properties and then to model nonlinear mechanical behaviors identified at laboratory. This paper aims first at relating the mechanical phenomena on sample scale to their respective mechanisms on microscale. Main focus is put on unilateral effects due to crack's opening/closure transition, material anisotropy induced by crack growth in some preferred directions and multiphysical coupling at microcracks. After a brief introduction to the linear homogenization method and its application to crack problems, we present some recent advances achieved in the combined homogenization/thermodynamics framework, including anisotropic unilateral damage-friction coupling, theoretical failure prediction in conjunction with deformation analyses, poromechanical coupling, analytical solutions and numerical implementation with application to typical brittle rocks.     

土的剪切空间滑动面分析及各向异性强度准则研究

天然沉积的土往往具有原生各向异性、结构性,以及加载作用下的次生各向异性和结构损伤性,导致土的强度规律变化复杂。通过对Mohr-Coulomb、Druker-Prager和Matsuoka-Nakai强度准则建立基础的分析,提出了定法向剪切空间滑动面和变法向剪切空间滑动面的分类。运用Mohr-Coulomb准则描述土剪切破坏面和Matusoka-Nakai剪切空间滑动面的确定方法,分别建立了轴对称压缩和挤伸两组定法向剪切空间滑动面。依据空间滑动面上抗剪应力与法向正应力呈正比的线性关系,针对轴对称压缩、挤伸剪切空间滑动面,分别建立了各向同性、各向异性条件下土的强度准则,分析了不同强度准则应力空间描述的强度破坏面。针对具有竖向裂隙分布横观各向同性微结构的天然黄土,考虑微结构特征与几何空间坐标轴及主应力轴旋转变化的关系,通过黄土的真三轴试验,揭示了竖向裂隙分布方向分别作用大、中、小主应力的强度变化规律,初步验证了轴对称压缩和挤伸剪切空间滑动面强度准则及各向异性强度准则的合理性。建立的强度准则拓展了传统强度准则关于剪切空间滑动面及各向异性强度规律研究的范畴,能够为土工强度稳定性的分析提供更加符合实际的理论基础。