弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

岩石应变软化模型在深埋隧洞数值分析中的应用

 随着地下洞室的大量兴建,且埋深越来越深,深埋地下洞室的开挖稳定性问题显得非常重要。针对深埋隧洞围岩特殊的力学特性表现,采用应变软化模型进行数值分析更为合适。首先,对深埋隧洞围岩力学特性和岩石应变软化模型进行简单分析,并且通过数值加载试验分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算得到岩石应力–应变关系之间的区别。然后,对简单圆形深埋隧洞进行数值分析,对比分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算结果之间的差别,分析主要针对围岩的变形、塑性区和安全系数。最后,采用应变软化模型对两家人水电站深埋地下洞室群进行计算分析,对该地下洞室群的开挖稳定性进行评价。计算结果表明,调压室主室两侧边墙和各洞室连接处的变形较大,较其他地方更危险,需要加强对调压室主室边墙和各洞室连接处的支护强度。     

热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构关系研究

 热力耦合作用下岩石的微观结构的变化是引起宏观力学变化的主要原因,从热力耦合作用下花岗岩的流变机制研究出发,建立热力耦合作用下花岗岩的流变模型,从而推导流变本构方程是一种可行的方法。通过热力耦合作用下花岗岩的流变机制研究可知：(1) 花岗岩是一种由多种成分构成的具有多晶复合介质特点的脆性坚硬岩石,具有很大的非均质性,内部微观结构可分为晶粒、晶粒边界、晶间胶结物及晶间孔隙,这样的组分和结构将决定花岗岩在热力耦合作用下的流变特性。(2) 热力耦合作用下花岗岩流变现象主要是热力耦合作用下岩体内晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,即温度产生的热破裂和应力产生损伤破裂的复合破裂过程,微观结构上的变化使得标志着热力耦合作用下宏观力学特性的力学参数成为温度的函数。因此,将岩石现象流变学与物理流变学结合起来,提出热力耦合作用下岩石热黏弹塑性流变元件力学元件,在广义西原模型的基础上建立热力耦合作用下花岗岩流变模型,推导出可描述150 MPa及600 ℃以内花岗岩的流变本构方程,用试验结果验证了其适用性和合理性。热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构方程的建立为高温岩体地热开发钻井施工及其稳定性研究提供了依据。     

大岗山花岗岩动态力学特性的试验研究

以大岗山花岗岩为例,分别进行静力三轴和动力三轴试验,分析花岗岩的抗压强度、弹性模量、泊松比以及相应的极限应变等重要参数与应变速率的关系。试验结果表明:不同围压下,随应变速率的增加,花岗岩的侧向破坏应变随应变速率的增加几乎保持不变,并且绝大部分统计结果值在0.002～0.004范围内;轴向破坏应变的增加幅度不明显;抗压强度增加,试验现象明显;弹性模量的提高幅度随围压的增加有减小的趋势;不同围压下花岗岩的泊松比与应变速率没有明确的关系。基于大岗山花岗岩静力三轴测试全过程应力–应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同围压下均以侧向损伤为主,通过回归拟合分析,建立大岗山花岗岩静力三轴压缩条件下的损伤演化方程。进一步根据损伤理论建立岩石动力损伤与静力损伤之间的关系,考虑动态强度与初始弹性模量的率相关性建立经验型的岩石动力损伤本构模型,可以作为研究地震荷载作用下岩体结构中应力波传播和衰减规律的基础。     

砂岩弹塑性力学特性的水物理化学作用效应—— 试验研究与本构模型

 针对干燥、饱水、蒸馏水以及不同离子浓度和pH值水溶液循环流动作用至水–岩反应平衡后的砂岩试件,开展一系列单轴压缩试验和CT损伤测试,获得这些不同状态及水溶液作用后砂岩试件的应力–应变关系全过程曲线和CT扫描结果;分别研究砂岩弹塑性力学特性包括应力–应变关系、弹性模量、峰值强度及残余强度的水物理作用和水化学作用效应与机制;基于CT检测结果开展相应的水物理化学损伤分析;在此基础上,通过分析水物理化学作用对砂岩应力–应变关系的影响特征与规律,探讨并采用改进的Duncan模型来描述存在水物理化学作用效应的砂岩非线性弹性变形行为。研究结果对于水–岩相互作用及相关领域的理论与应用研究,具有良好的促进与借鉴作用。     

岩石在冲击载荷下的过应力本构模型研究

 采用分离式霍布金森压杆(SHPB)试验系统对深井软岩材料进行动态力学性能测试,测试的应力–应变曲线表现出显著的塑性变形特性。基于修正的过应力模型本构方程,根据 的变化量与应变率和应变之间的函数关系,采用量纲一化分析法对修正的过应力模型本构方程进行简化,得到简化的过应力模型本构方程;考虑动载作用下损伤对岩石动载强度的影响,将连续损伤理论和统计强度理论引入到简化的过应力模型本构方程,建立简化的损伤型过应力模型本构方程,使得本构模型方程适用于动态全程应力–应变曲线。采用简化的损伤型过应力模型本构方程对实测曲线进行曲线拟合,实测曲线和拟合曲线两者具有很好的一致性。     

围压与温度共同作用下盐岩的SHPB实验及数值分析

 在自主研制的可进行围压和温度共同加载的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置TSCPT-SHPB基础上,对盐岩在5～25 MPa围压作用下的轴向动力性能以及盐岩在40 ℃～80 ℃,0.0～0.5 MPa围压下进行实验研究,分析围压和应变率对盐岩在围压作用下轴向抗压强度动力增长系数(DIF)的影响,以及温度和围压对盐岩动态力学性能的影响。结果表明：在动态作用下,围压对盐岩延性的提高有显著影响;盐岩属率敏感性和温度敏感性材料,其峰值强度随应变率的提高而提高,在低围压下的提高幅度比高围压下显著,并得到实验范围内盐岩材料动力增长系数(DIF)与围压和应变率关系的表达式;在高应变率(400 s－1)条件下,盐岩的动态峰值强度随温度的升高而降低,并依据实验数据,拟合得到峰值强度在各实验温度下随围压变化的计算公式。为考虑应变软化效应,对ABAQUS有限元软件中的Drucker-Prager模型进行改进,并基于单向动态围压下的实验数据拟合的计算参数,对盐岩TSCP-SHPB实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。     

单轴拉压状态下混凝土破坏的细观数值演化分析

在提出可同时满足级配曲线及指定骨料填充率的任意凹凸形骨料配置算法的基础上,建立了混凝土试件的细观随机骨料模型,并建立了空间应力环境下细观单元的弹性损伤本构关系;分别就工程中常采用的两种不同的混凝土强度,研究了混凝土试件的细观损伤演化过程及细观单元力学参数取值对混凝土试件宏观表征强度的影响。数值算例验证了模型的有效性,并揭示出混凝土试件破坏主要是由细观单元的拉伸损伤积累所导致的。     

单轴压缩下含预制孔洞板状花岗岩试样力学响应的试验和数值研究

 利用挪威Iddefjord花岗岩试样加工制备含双侧预制方形孔洞的板状试样,并在Instron液压伺服控制试验机上开展单轴压缩试验,监测试样的应力、应变、声发射信号特征及试样破坏过程。研究发现,随着轴向应力的增大,试样在平行于孔洞竖直方向的位置相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,孔洞周边岩体出现块体弹射、片帮等应变型岩爆特征。试验研究表明,含孔洞花岗岩试样在单轴压缩下总是从孔洞周边的劈裂破坏开始,试样的声发射曲线比完整岩样存在更多的跳跃突变点。在此基础上,利用FLAC3D对室内试验进行数值模拟,通过线弹性模型分析含孔洞岩石材料的应力分布特性,通过应变软化莫尔–库仑准则模拟岩样的破坏过程,监测各计算时步下单元拉伸和剪切破坏特性;发现单轴压缩下含孔洞岩样的塑形破坏单元以拉伸破坏为主,拉伸破坏单元沿孔洞竖向边界贯通形成劈裂破坏面,这和室内试验观测结果是一致的。研究结果在一定程度上揭示了深部硬岩洞室开挖后,在高地应力作用下总是产生平行于洞室开挖边界面的板裂、片帮破坏现象。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

 基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

岩体在冲击载荷作用下的各向异性损伤模型及其应用

建立了一个各向异性的损伤模型，用于描述岩土工程中预留岩体在冲击载荷下的损伤演化特征。以二阶张量为损伤变量，推导了依赖于损伤变量的弹性模量表达式，利用一个等价状态，建立损伤岩体的本构关系。为了反映冲击载荷下岩石材料的应变率敏感性，对损伤的门槛值进行粘性调整。研究结果表明，该损伤模型能够模拟岩石材料在冲击载荷下的损伤特征，可以为岩土工程中经历过冲击扰动作用的岩体的稳定性分析提供理论依据。     

香港花岗岩单轴压缩时的操作演化

An investigation is reported on the characteristics of progressive failure of Hong Kong granite. Uniaxial compression tests are performed on a number of Hong Kong granite specimens with the MTS 815.04 testing machine.Acoustic emission signals are recorded to trace the evolution of damages. Parametric studies on the effect of grain size are attempted. The results show that the increase in grain size will reduce the brittleness during failure. In addition, discussion is extended to the grain size effect on the stress thresholds of crack closure, crack initiation and crack damage. The RFPA^2D code is also used to observe the failure characteristics of brittle rocks such as granite. Microscopic tensile failure is dominant in the ultimate failure of all the uniaxially compressed models. The crack initiation threshold is also determined by the numerical approach. The failure of coarse-grained models seems more ductile.     

Barre花岗岩动态压缩破坏特性研究

 利用修正的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对Barre花岗岩(Barre granite,BG)圆柱形试样进行高应变率单轴压缩试验。根据各向异性BG试样3个主轴方向将试样分为X向(P波速度中等),Y向(P波速度最低)和Z向(P波速度最高)。试验过程中,采用组合型整形器(黄铜+橡皮)保证加载中的应力平衡,实现对试样的常应变率加载;利用单脉冲加载技术确保试样在试验过程中只受到1次动态载荷。得到试样3种破坏状态形态：未破坏、表面开裂以及完全破碎。对回收试样切片后的微观裂纹分布研究发现,裂纹随着加载应变率的提高而增多。试验测得BG三个方向不同加载应变率(70,100,130 s－1)下的应力–应变关系,分析不同破坏状态下的应力–应变曲线形式。3个方向的试样均表现出应变率相关,最大承受应力随着应变率的增加。在较低和较高的加载应变率下,试样的最大承受应力与初始裂纹方向无关,呈现出各向同性。而在中间加载应变率下Y试样承受应力最大,这是因为BG初始裂纹面平行与XZ平面,在临界加载条件下裂纹扩张比较困难。     

花岗岩直板轴向压缩的分层破坏及围岩失稳探讨

基于弹性稳定理论,确定抗拉强度较低的板状构件因拉伸分层而轴向压缩失稳的条件;利用宽80 mm、长270~420 mm、厚8~20 mm的花岗岩直板,以刚性压头或垫入5~10 mm橡胶模拟端部的固支和铰支进行单轴压缩。厚16 mm及以上直板会发生分层破坏,强度约为标准试样的40%而不再随厚度增加;而较薄直板可以Euler压缩失稳估计其破坏载荷。从围压对强度的影响趋势看到,花岗岩标准试样单轴压缩强度明显偏低,这同样源于拉伸分层引起的压缩失稳。岩体抗拉强度较低,深部巷道围岩在轴向应力作用下可能发生结构失稳和分区破裂而出现片帮和底鼓,平面应变状态下应力分析和强度校核不足以确认工程安全。     

花岗岩和混凝土在单轴冲击压缩荷载下的动态性能比较

采用黄铜波形整形器改进后的分离式Hopkinson压杆装置,分别对花岗岩和混凝土试件进行不同应变率（101～103）s-1下的单轴冲击压缩试验,有效地减少传统Hopkinson压杆试验中,岩石类脆性材料在内部应力达到均衡之前过早破坏以及输入波的高频震荡给试验数据带来的波动性。试验结果表明,应变率不仅影响这2种岩石类材料的强度,而且也影响材料的破碎程度和破碎形式,但对材料的初始弹性模量、破坏应变以及能量吸收率影响不大。从花岗岩和混凝土材料的微观结构特征和能量吸收能力等方面,对比分析这2种材料动态性能的共同特点和相互差异,合理地解释试验现象。该方法与结论对其他类型的脆性材料的动态性能研究具有一定的参考价值。