随机非均质热弹性力学模型与岩石热破裂门槛值的数值试验研究

考虑岩石细观组构的不同，建立了随机非均匀介质的热弹性力学模型，给出了一般意义下的有限元分析方法。进而，仅考虑热膨胀系数为随机变量，在平面应力模型下，进行了岩石热破裂的数值试验，以花岗岩为样本，对均匀分布、正态分布、韦泊分布3种随机分布下热膨胀系数变化引起的岩石破裂门槛值的变化做了详细研究。结果表明，热膨胀系数的概率分布形式对花岗石热破裂规律及门槛值温度有重要影响。     

岩石多裂纹剪切断裂数值试验研究

节理岩体在剪切力作用下的破坏方式常表现为相邻节理的扩展与贯通，因此，研究含预制多裂纹岩打的抗剪强度和破坏模式对工程设计具有重要意义。应用RFPA系统对含断续裂纹剪切试样的断裂过程进行了数值模拟研究，讨论了不同裂纹几何分布对破坏模式和峰值强度的影响。研究结果表明。在相同围压条件下，裂纹贯通模式丰要受裂纹的几何方位控制：由于试样细观缺陷非均匀性的存在，导致岩行断裂主要由拉伸破坏引起，但拉剪混合破坏仍然存在，并对抗剪强度有较大的影响。     

岩石的细胞元特性及其非均质分布对岩石全曲线性态的影响

采用非均质数值试验方法,研究了在无限大刚度的试验机条件下,岩石的细胞元特性及其非均质分布对岩石单轴压缩全程曲线性态的影响。结果表明,当岩石的非均质参数m≥6时,细胞元的非均质参数m是决定岩石单轴压缩全程曲线性态的主要因素;当m<6时,岩石的细胞元特性是决定岩石单轴压缩全程曲线性态的主要因素。     

非均匀岩石裂纹扩展机制的数值分析

应用东北大学开发的RFPA2D软件,通过数值手段对预制裂纹的非均匀岩石单轴加载条件下的裂纹扩展模式进行了研究,结果表明:非均质度越差,材料的破坏峰值强度越低;裂纹扩展模式受岩石均质度制约,当岩石的均质度较低时,裂纹扩展表面粗糙,且呈现断断续续方式扩展,并且在扩展中出现跳跃方式,与均质岩体有本质区别;均质岩体AE分布集中于裂纹尖端,而非均质岩体裂纹呈弥散分布,并最终逐渐集中而形成裂纹.     

花岗岩试件三点弯曲试验裂纹扩展数值模拟

通过运用岩石破裂过程分析(RFPA^20)系统，对花岗岩试样三点弯曲试验裂纹的扩展进行了数值试验。数值试验结果表明：在对花岗岩试样加载过程中，裂纹的扩展路径总体上遵循一定的规律，即该裂纹扩展为沿晶扩展；由于花岗岩本身的非均匀性，局部的裂纹扩展呈现出曲折性。数值模拟结果与相关试验结果具有较好的一致性。     

随机介质固热耦合数学模型与岩石热破裂数值实验

对高放射性核废料的深层处置、高温岩体地热资源开发等深部开采工程问题中,由于岩石材料的非均匀性、非连续性、以及几何结构的复杂性,迫切需要研究工程围岩在高温下的物理力学性质和力学行为的长期演变规律,因此,本文从岩石介质的非均匀性特征入手,在引入岩石非均匀性细观统计描述和物理学愈渗理论的基础上,主要研究内容如下:(1)考虑岩石颗粒的物理力学性质的随机非均匀性,从理论上建立了三维随机非均质热弹塑性力学模型和随机介质固热耦合数学模型,并推导随机介质模型的有限元数值解法。这些方法奠定了岩石热破裂研究的基础。(2)对岩石随机介质的热弹性力学模型的平面轴对称问题和球对称问题分别进行解析分析,提出了将岩石物理力学参数作为随机变量在解析分析中的处理方法,并给出在随机指数分布和韦泊分布下的解析解;对随机介质固热耦合数学模型的平面轴对称问题也求出了解析解,包括位移、变形和热应力的精确解。(3)在二维随机非均质热弹塑性力学模型和4种随机分布(均匀分布、指数分布、正态分布和Weibull分布)下,在高温条件下,对热膨胀系数变化引起的岩石破裂门槛值温度的变化做了详细研究,揭示了岩石热破裂规律及门槛值温度随分布参数的变化规律,得出结论:岩石热破裂门槛值温度随分布参数的增加而升     

非均匀岩石破裂过程渗透率演化规律研究

应用自主开发的数值模拟系统，通过数值试验，很好地描述了岩石破坏损伤演化过程中渗流场变化规律，包括岩石在应力．应变曲线不同阶段的渗透率演化规律、非均匀性对渗流场分布和渗透率的影响。结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及其破裂机制的影响十分明显。     

基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grain based model,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性.对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值...     

非均匀因素对I型裂纹扩展、相互作用影响的数值分析

在拉张外载作用下，应用RFPA^2D程序对端部开切口、内部预制裂纹试样和坚硬颗粒试样进行数值模拟分析，并对不同均质度下岩样的贯通机制和载荷－位移曲线进行分析。结果表明，非均质性存在产生试样的应力分布局部集中和变形局部化，是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通的根源。     

非贯通细观裂纹节理介质CT试验的数值模拟及影响参数讨论

对非贯通细观裂纹节理介质CT试验进行了数值模拟，得到6个材料参数对细观损伤的影响。采用灰度作为主要计算参数，考虑预埋裂隙处发生损伤和破裂的准则，采用Fortran语言编制主程序。并利用三维十六节点等参元计算预埋裂隙及其附近单元，以及三维八节点等参元计算远离裂纹处的甲元。计算获得了随外荷载增加情况下模型中截面的灰度分布、破裂分布、平均灰度分布和损伤等值线分布等结果。同时，通过与试验结果进行对比。得到一些与试验吻合的各层次破裂与灰度的演化规律，补充了部分试验无法观测到的结果。最后，根据蒙特卡罗概率设计方法分析了6个材料参数对细观损伤的影响，为进步定量描述节理介质细观破裂和损伤演化规律提供参考依据。     

土岩组合双排吊脚桩桩锚支护基坑变形数值分析

 随着基坑开挖方式、深度及工程地质状况的不同,出现了很多特殊形式的深基坑支护结构。在土岩二元结构地层条件下,双排吊脚桩桩锚支护方式的设计与施工经验很少。针对这种支护方式的设计与施工,以青岛市凯悦深基坑为例,对其进行变形及安全稳定性分析,利用Plaxis有限元软件模拟基坑开挖过程,并结合现场监测资料进行对比分析。结果表明：双排吊脚桩桩锚支护体系具有较大刚度,能够有效控制基坑变形及桩体位移,基坑位移主要发生在土体深度范围内。研究可以为此类支护结构设计的优化提供理论依据。     

热应力作用下的岩石破裂过程分析

热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。岩石热破裂研究的工程意义重大。根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。RFPA^2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。     

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴，双轴载荷作用下，裂隙扩展，贯通的规律，应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性，实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性，实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后，将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC，计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。     

裂缝长度对岩石动态断裂韧度测试值影响的研究

 为了考察裂缝长度对试件动态断裂韧度测试值的影响,采用圆盘直径为80 mm变化裂缝长度的大理岩中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行动态冲击劈裂试验。对不同裂缝长度试件动态试验时弹性压杆上测得的应变波形以及试件的断裂模式进行分析,用试验–数值的方法确定大理岩的动态断裂韧度。结果表明,在平均加载率为2.96×104 MPa·m1/2·s－1的条件下,大理岩动态断裂韧度均值是其静态断裂韧度均值的2.6倍,随着裂缝长度的增加,动态测试值没有静态测试值的变化显著,最后对与试件尺寸和构形无关的动态断裂韧度的确定方法进行讨论。     

预制裂纹几何与材料属性对岩石 裂纹扩展的影响研究

 采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。模拟中采用弱化元胞单元来表征试件中存在的预制裂纹,用Weibull随机分布对岩石基质元胞单元的力学参数进行赋值,以反映作为岩石基质一部分的岩桥的非均质性。表征预制裂纹的弱化元胞单元服从理想弹塑性本构关系,基质元胞单元服从弹脆塑性本构关系。利用该方法对含有2或3条裂纹的岩石试件进行单轴压缩破裂过程模拟,再现裂纹起裂、扩展和搭接全过程的实验现象。结果表明,预制裂纹的倾角和岩桥倾角对裂纹的扩展和搭接有重要的影响。同时,考虑基质材料力学属性的差异,研究基质元胞单元力学性质的随机空间分布和不同的内摩擦角等情况下的裂纹扩展模式,结果表明,裂纹的扩展和搭接路径强烈依赖于材料的力学属性,从机制上解释了室内实验中裂纹扩展路径离散性的原因。     

脆性岩体破裂扩展时间效应对引水隧洞长期稳定性影响研究

 对于锦屏二级引水隧洞,脆性岩体破裂损伤发展的时间效应已从现场围岩破坏情况及多种监测仪器长期监测数据中得到反映,成为影响引水隧洞长期稳定性的控制因素。为系统研究这一问题,针对锦屏二级引水隧洞沿线所占比例最大的岩层之一--白山组大理岩,在论述岩体破裂扩展时间效应的现场体现的基础上,进行破裂时效室内试验,得到破裂时效拟合式和临界驱动应力比;继而采用CPM模型建立可以考虑脆–延–塑转换特征的白山组大理岩数值试样,标定其微观参数,并进行室内破裂扩展试验的PFC模拟;最后,首次对工程尺度的引水隧洞进行破裂扩展时效的PFC模拟,研究不同岩性、不同埋深下,在100 a运行期内引水隧洞围岩的破裂情况。结果表明,室内试验中破坏时间的增加和荷载的降低呈现出较明显的指数非线性关系,且亚临界裂纹开始扩展,具有一个门槛值(定义为临界驱动应力比),对于白山组大理岩此应力比为0.492。采用CPM模型标定的PFC短期细观参数可较好反映锦屏白山组大理岩试样的三轴压缩应力–应变曲线及屈服破坏特征表现出的明显围压相关性,低围压下裂纹数目随围压增加明显,高围压下增加速度减缓,且拉裂纹在高围压下数目不再随围压增高而增加。数值试验中发现轴向应变和裂纹数目发展均表现出明显的蠕变三阶段特征。随着驱动应力比减少,由蠕变产生的应变量值是增加的。侵蚀裂纹的发展也符合蠕变三阶段特征,驱动应力比越小,侵蚀裂纹数目基本线性增加,但侵蚀裂纹发展速率呈指数减少。在开挖完成100 a后,II类大理岩岩体中引水隧洞的破裂区最大范围为2.1～3.1 m,III类大理岩为3.3～4.5 m,引水隧洞的长期稳定性可以得到较好保障。     

层状复合岩体宏观力学参数的计算机模拟试验

以清江水布垭水利枢纽工程为背景,结合现行的岩石力学试验方法,对层状复合岩体进行了三轴压缩试验的计算机模拟。研究了层状复合岩体宏观变形参数的各向异性以及岩层倾角、埋深、变形模量等因素对层状复合岩体宏观力学参数的影响,其结果可望对人们认识岩体的宏观力学参数有所裨益。     

一种模拟岩石破裂的细观数值计算模型

建立随机均布Voronoi图的生成算法,以这种网格划分方式作为刚块弹簧元法(RBSM)的基本计算网格。同时,将刚体弹簧方法的界面中点接触模型改为整个界面的均布接触模型,结合界面抗拉强度和莫尔-库仑准则,给出一个能同时考虑模式I和II的断裂破坏的界面破坏模型。大量数值试验表明,以随机Voronoi图为基本计算网格,块体平均尺寸和排列方式对宏、细观弹性参数之间的关系影响很小,从而克服了颗粒离散元法的网格依赖性和宏、细观参数繁琐的标定程序。将该数值模型计算结果与Vienne岩石试验结果对比,数值模拟结果与试验结果在变形和强度都吻合较好,且随着围压的增大,应力-应变曲线的峰后下降趋势逐渐放缓,在围压为40 MPa时接近水平,表现出明显的由脆性向延性过渡的趋势。