岩石变形破坏过程中的能量耗散分析

岩石作为一种复杂的非均质地质材料，其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程。采用损伤演化方程可以从宏观上描述损伤变量以及与其相伴的广义热力学力——损伤能量释放率的变化规律。进一步通过细观损伤力学的研究，可以揭示岩石变形破坏过程中能量耗散的内在机制。围绕这一基于能量耗散的岩石力学研究思路及其相关进展，最终将建立基于损伤演化及能量耗散的宏．细．微观多层次耦合的岩石力学体系，这有助于更准确地解决岩石工程领域中更多的力学分析问题。     

岩石直接接伸破坏中的能量耗散及损伤特征

采用新近发展起来的拉伸式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ冲击装置（ＳＨＴＢ），成功地实现了对岩石试样的动态直接抻伸加载。利用圆柱形柱抻强度试样的切口圆柱拉伸断裂试样，并结合表态拉伸实验设备ＭＴＳ材料试验机，进行了岩石的动态拉伸强度、动态拉伸断裂、静态拉伸强度、静态拉伸断裂共４种情况下的拉伸破坏实验，并将这４ 种实验条件下的拉伸破坏试样沿其纵剖面剖开，利用光学显微镜观察岩石在其纵剖面上的破坏特征。观察表明，岩石拉     

岩石直接拉伸破坏中的能量耗散及损伤特征

采用新近发展起来的拉伸式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ冲击装置（ＳＨＴＢ），成功地实现了对岩石试样的动态直接拉伸加载。利用圆柱形拉伸强度试样和切口圆柱拉伸断裂试样，并结合静态拉伸实验设备ＭＴＳ材料试验机，进行了岩石的动态拉伸强度、动态拉伸断裂、静态拉伸强度、静态拉伸断裂共４种情况下的拉伸破坏实验，并将这４种实验条件下的拉伸破坏试样沿其纵剖面剖开，利用光学显微镜观察岩石在其纵剖面上的破坏特征。观察表明，岩石拉伸破坏所消耗的能量与岩石破坏时所形成的内部损伤有着十分密切的联系。     

冲击载荷作用下岩石损伤的能量耗散

利用一级轻气炮进行平面撞击实验，测量砂岩试件组成的靶板中的应力-时间历程曲线；基于RaIlkinc-Hugoniot守恒方程，计算得到不同冲击荷载下岩石试件中的损伤能量耗散密度，为建立新的岩石动态损伤模型创造了条件。     

基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。     

岩石卸围压破坏过程的能量耗散分析

 在分析试验机与岩样之间能量交换的基础上,综合分析岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律,以及能量与岩样变形、围压之间的关系。研究结果表明,在卸围压破坏过程中,能量耗散与岩样的破坏特征及施加围压有较大关系;延性破坏的能量耗散大于脆性破坏,同一种破坏模式下,岩样的能量耗散随施加围压的增大而增大。2种卸围压试验均表明,能量耗散与时间呈非线性关系,与侧向变形呈线性关系,且在相同侧胀水平下,施加围压越大,能量耗散越大,岩样更具脆性破坏特征。     

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.     

岩石破坏的能量分析初探

从能量的角度出发,分析研究了岩石的变形破坏过程,揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特性。理论及试验研究表明,在岩石变形破坏过程中,能量起着根本的作用。岩石的失稳破坏就是岩石中能量突然释放的结果,这种释放是能量耗散在一定条件下的突变。从力学角度而言,岩石的变形破坏过程实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程;从热力学上看,这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程,包含能量耗散和能量释放。现有的力学理论体系主要是强调能量耗散结构和局部破坏过程,而岩石的灾变是以能量释放为其主要特征,所以有必要综合考虑能量耗散及能量释放对岩石变形破坏的影响。试验研究也揭示了应力–应变强度不能很好地描述岩石的破坏这一特性,在大体相同的应力–应变曲线下,试件的破坏形式不同,能量释放量完全不同,因此,从能量的观点可以更好地描述岩石的变形破坏。     

基于能量耗散定义损伤变量的方法

基于对材料变形中的本构能及耗散能的认识，依据循环加载计算耗散能，从能量耗散角度定义材料的损伤变量，并给出了损伤变量的理论计算公式及损伤阈值的确定方法，研究了相关试验结果的损伤扩展规律。     

砂岩拉伸过程中的能量耗散与损伤演化分析

岩石作为一种非均质的复杂地质材料,其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。借助先进的试验测试系统,可以对岩石进行直接拉伸试验,从而在现有大量压缩试验的基础上进一步完善对岩石基本力学行为的研究。通过砂岩的循环拉伸试验研究发现,拉伸过程中外载所做的总功除了引起岩石弹性变形能的增大外,还有一部分被耗散掉从而导致岩石发生不可逆的损伤。在对能量耗散进行分析的基础上,可以建立岩石的损伤演化方程,并通过试验测定相应的参数指标。试验研究和理论分析表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。     

基于能量耗散原理的盐岩动力特性及破坏特征分析

 为研究盐岩的动力特性和破坏特征,利用带围压的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对盐岩进行不同围压(5,15和25 MPa)下的冲击试验,并基于能量耗散原理来研究盐岩动态力学性能以及破坏特征,分析整个试验过程中的能量传递与转化,探究围压和输入能量对试件吸能及破坏的影响。研究结果表明：在同一围压下,随着入射能的增加,盐岩硬化效应越明显,表现为能量反射率增高而透射能和吸收能降低;在相同或相近的入射能下,随着围压的升高盐岩的流塑性变得越明显,但在动力荷载下盐岩由流塑性向脆性转变,最后发生脆性破坏;随着吸收能的增加,盐岩的峰值应力因围压不同而表现出不同的变化趋势,低围压时,吸收能越大,峰值应力越高,而高围压时,吸收能越大,峰值应力却越小;在有围压状态下,盐岩的冲击破坏形态与其他的脆性岩石相似,但在破坏机制上存在很大差异。     

基于MARC软件的岩体节理裂缝数值模拟

在地下洞室的数值模拟计算分析中,研究的对象主要是岩体,研究方法很多,而有限元方法在实践中是使用最为广泛的,简析了裂缝模拟的基本原理,使用有限元分析程序MARC模拟裂缝,分析裂缝存在时对洞室结构的各种影响.     

基于四维离散数值方法的岩石圆环试样动态破坏及耗能规律

利用最新提出的四维离散弹簧元法(4D-LSM)对岩石圆环的动态抗变形及耗能特性进行研究。首先对4D-LSM用于描述岩石圆环试样破坏的适用性进行了验证,发现4D-LSM可以较好地再现岩石试样的孔径比与破坏形态和强度间的影响规律。在此基础上,对孔隙率、非均质性、厚径比等因素与抗变形及耗能间的规律进行研究,得到了对应的数学公式。利用4D-LSM模拟大变形方面的优势,发现当岩石材料的变形抵抗能力较大时,岩石圆环将表现出与传统仅考虑小变形情况下实验和数值计算不同的破坏形态,岩石圆环的材料抗拉强度与抗变形能力也分别呈现非线性关系。通过建立圆环阵列模型,研究了由多个岩环构成的组合结构的抗变形和能量抵抗能力以及对应的破坏形态。结果表明,组合结构中的圆环单元与单圆环受力的破裂形态有所不同,但单圆环的抗变形及耗能规律仍适用于岩环阵列结构的分析。     

基于ABAQUS二次开发的岩石力学试验数值仿真系统

岩石力学试验是研究岩石力学特性,获取力学参数的重要途径。为研究不同荷载作用下不同尺寸试块的破坏过程,利用Python语言对ABAQUS软件进行二次开发,建立岩石力学试验过程的参数化数值模拟仿真系统。将考虑剪切效应的Drucker-Prager破坏准则编入vusdfld子程序中,引入失效单元删除算法研究荷载作用下岩石试块变形破坏过程,实现了岩石力学试验过程的数值仿真。以花岗岩试块三轴压缩试验为例,验证了仿真系统的有效性。该系统可根据用户需要与实验室加载平台进行数据匹配,极大提高了建模和分析效率,同时丰富了力学试验内容。     

Numerical simulation of blasting-induced rock fractures

In the present study, the Johnson–Holmquist (J–H) material model is implemented into the commercial software LS-DYNA through user-subroutines to simulate the blasting-induced rock fractures. The J–H model consists of strength models for both intact and fully fractured materials, a polynomial equation of state, and a damage model that represents the material from an intact state to a fully fractured state. Influences of the key parameters in smooth blasting, viz., loading rate, distance from a free face, earth stress, and pre-existing joint planes, etc., on fracture patterns are explored. According to the simulation results, the rock fracture pattern is significantly influenced by the loading rate. Fracture control techniques, namely, notched borehole and charge holder with slits are also simulated. Effectiveness of the fracture control techniques is demonstrated. The numerical simulation in the present study reproduces some of the well-known phenomena observed by other researchers. It has the potential to be applied in practical blast control and gas and hydraulic fracturing engineering.     

基于能量耗散原理的混凝土力学损伤模型

从材料变形破坏过程中能量耗散特征入手,视混凝土材料为仅有损伤耗能的脆弹性部分和仅有塑性流动耗能的理想弹塑性部分共同组成,基于复合体损伤理论建立了混凝土力学损伤本构模型。对于脆弹性部分,分别采用张拉损伤和压剪损伤两个损伤变量描述不同应力作用下损伤行为,并通过受荷变形过程中的能量守恒原理推导相应的损伤演化方程;对于理想弹塑性部分则采用Mohr-Coulomb条件加以描述;利用FLAC3D软件开发相应的模型计算程序,算例计算结果表明,模型能够较好反映混凝土的力学特性。     

西山隧道水平岩层围岩稳定性数值模拟研究

以太古高速公路西山隧道为研究对象,对水平岩层中隧道开挖后的围岩稳定性进行了研究。采用数值模拟的方法,建立了水平岩层隧道开挖数学模型,得到了隧道开挖后围岩水平方向和竖直方向的位移变形量,并根据计算结果对隧道施工方法进行了针对性的优化,以确保施工安全和施工质量。     

Numerical modelling of yielding shear panel device for passive energy dissipation

Yielding shear panel device (YSPD) is a relatively new passive energy dissipation device, which is designed to exploit the shear deformation capacity of metallic plates to absorb earthquake energy. YSPD is inexpensive and its simplicity in manufacturing and installation are the key to its possible commercialisation. The current research investigates the development of finite element (FE) models for YSPD using a general purpose FE software ANSYS; the modelling procedure is based on the test results obtained from the pilot testing scheme carried out at the University of Queensland and City University of Hong Kong. The developed FE models include both material and geometric nonlinearities. Nonlinear spring elements have been used to model the appropriate support conditions observed in the experiments. Results obtained from the FE analysis are compared against the test results for both monotonic and cyclic loadings. A theoretical approach is also proposed herein to predict the initial stiffness of the load–deformation response of YSPD and the predictions obtained using the proposed analytic model are also compared against those available both from the experiments and the developed FE models. Additional results generated using the verified FE models will be used to develop design rules for YSPD.     

基于能量耗散的混凝土单轴受拉损伤模型

从能量耗散的角度,提出了一种由高斯积分算法计算损伤的混凝土单轴受拉损伤模型,推导了损伤变量D的方程式,通过与几种典型的单轴受拉损伤模型进行了比较,初步验证了本文模型,表明本模型形式简单、精确度高、工程应用方便。     

基于摩擦-剪切耗能的斗栱有限元模型研究

以应县木塔中的典型斗栱为研究对象,依据试验模型的力学参数,通过对斗栱结构构造的简化,提出了基于摩擦-剪切耗能的有限元模型。该有限元模型采用三维实体单元构建,以空间牛腿结构的方式体现斗栱的构造连接和传递荷载的基本特征,在斗与栱的接触面设置摩擦接触对以实施构件摩擦-剪切耗能的基本功能。运用ANSYS软件构建了典型斗栱的有限元模型,并分别模拟了实体模型在竖向荷载以及竖向荷载与水平荷载共同作用下的试验过程。模拟分析结果表明,该有限元模型具有较好的摩擦-剪切模拟功能,可反映斗栱在竖向荷载和水平荷载共同作用下的力学特性。