基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明：通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。     

基于矿物晶体模型非均质岩石单轴压缩力学特性研究

为研究岩石微观结构非均质性对宏观力学特性及裂纹扩展规律的影响,结合花岗岩室内单轴试验及矿物晶体模型(Grain-based model, GBM)对岩石的微观矿物结构进行离散元建模,研究了非均质岩石宏观应力-应变曲线、声发射及晶体尺度裂纹扩展规律。通过改变岩石微观结构进一步研究了不同矿物组成条件下岩石宏观力学特性及其变化原因。结果表明:GBM可在考虑岩石微结构及强度非均质的条件下,有效模拟岩石加载过程中宏观及微观力学特性;加载初期,岩石内部晶体尺度裂纹首先以晶间裂纹为主,随后转变为以晶内裂纹为主,且裂纹破坏主要为拉伸破坏,岩石破坏时拉伸裂纹及晶内裂纹与总裂纹占比分别约为93.87%,60.95%;加载过程中,岩石微裂纹首先随机分布在岩石内部,后开始聚集并造成宏观破裂面的出现,且宏观破裂面的形成主要与矿物晶体内裂纹的扩展及聚合有关;随岩石内长石矿物含量的增加,岩石峰值应力与损伤应力整体呈增加的变化趋势,且该变化规律可能与长石矿物内裂纹数增加及云母矿物内裂纹数减小有关;通过矿物晶体模型对岩石微观结构进行模拟并对非均质性所造成的力学特性变化进行微观尺度解释,有利于更好理解岩石非均质性与宏观力学特性的关系。     

北山花岗岩细观非均质性对单轴压缩力学特性影响的FDEM数值研究

为了研究细观非均质性对北山花岗岩中微裂纹萌生、扩展和贯通等破裂过程的影响,基于有限元/离散元耦合方法(FDEM)和数字图像处理技术(DIP),结合矿物晶体模型(GBM),分别构建3类北山花岗岩细观结构表征模型：聚类均布模型、Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型。基于3类模型开展了单轴压缩试验研究,探究细观非均质性对北山花岗岩力学特性、声发射(AE)特征以及颗粒尺度裂纹扩展规律的影响。研究结果表明：3类模型均能捕获从微破裂损伤至宏观破裂的演化过程,即首先以晶间张拉裂纹为主,随后产生穿晶断裂,转变为以晶内裂纹为主,张拉破坏占主导地位;细观结构表征方式对模拟岩石的特征应力(启裂应力和损伤应力)控制效应非常显著;Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型的AE特征与室内试验更为吻合;硬矿物含量的增大,会导致单轴抗压强度、特征应力和弹性模量增大,而泊松比反之;颗粒尺寸的增大,会导致单轴抗压强度和损伤应力明显减小;特征应力与刚度非均质性因子呈负相关。     

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...     

基于DIP-FFT数值方法的花岗岩多尺度力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究花岗岩的细观力学特性及其结构特征对宏观力学性质的影响,先利用X射线衍射和偏光显微镜获得花岗岩各矿物成分及比例和表面形貌,然后通过纳米压痕试验定性分析各相矿物的力学特性,并计算花岗岩的细观力学参数;最后,为了克服传统均匀化解析法求解等效参数时无法考虑细观结构的形状、大小和分布等特征的问题,将数字图像处理(DIP)技术和快速傅里叶变换法(FFT)有机结合,提出一种能直接利用岩石图像构建数值模型的DIP-FFT数值方法,基于真实细观结构计算等效弹性模量和泊松比,并与均匀化解析解和三轴压缩试验测定的宏观弹性模量和泊松比进行对比。研究结果表明:各相矿物在细观尺度上具有明显的异质性,石英强度高,力学性质稳定,长石次之,云母软弱变形大且内部存在孔隙结构;花岗岩的宏观弹性模量随围压的增加呈增大趋势并逐渐趋于稳定;DIP-FFT数值方法合理考虑了岩石细观结构特征的影响,建立了花岗岩宏细观力学参数的联系,其预测的等效弹性模量和泊松比与中围压下的测试结果吻合。该研究成果将为从微细观尺度确定岩石宏观力学性质提供一种更合理高效的方法,对于评价复杂工程环境下围岩的力学性质有着重要的工程实践意义。     

基于CT-GBM重构法的花岗岩裂纹扩展规律研究

为从矿物尺度研究花岗岩在单轴压缩作用下的裂纹扩展规律,提出一种将高精度内部结构探测技术与PFC颗粒流数值模拟相结合的CT-GBM(computed tomography-grain based model)建模方法,用于构建基于真实矿物晶体结构的二维GBM模型。根据室内单轴压缩试验所获取的宏观力学参数及破坏形式对所建立模型的细观参数进行校正,并基于所校正模型探究花岗岩矿物晶体裂纹扩展规律。结果表明：CT-GBM建模方法可有效地模拟和复现花岗岩的硬脆特性及劈裂破坏形式。花岗岩在单轴压缩加载过程中主要经历4个阶段：无裂纹阶段、裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段。在破裂过程中,微裂纹萌生的次序分别是：晶间拉伸裂纹、晶间剪切裂纹、晶内拉伸裂纹、晶内剪切裂纹,并且以晶间拉伸裂纹为主。而从矿物类别角度考虑,微裂纹首先在长石矿物内部萌生,随后是石英和云母,其中汇聚成核的区域以云母和长石矿物为主。     

等效晶质模型及岩石力学特征细观研究

 基于颗粒流理论与颗粒流程序,采用颗粒体模型与光滑节理模型,构建具有岩石矿物细观结构特征的等效晶质模型。通过室内试验与计算结果的对比分析,验证等效晶质模型在岩石力学特征研究中的适宜性与可靠性;同时,从细观角度深入揭示岩石在加载条件下的破裂机制与强度特性。主要研究结果如下：(1) 在单轴拉伸条件下,岩石近似与加载轴向相垂直的宏观断裂面,主要由相邻晶质体边界上的黏结张拉破坏构成;(2) 在单轴压缩或低围压三轴压缩条件下,岩石近似与加载轴向相平行的宏观断裂面,主要以相邻晶质体边界上黏结张拉破坏为主,导致岩石产生宏观劈裂破坏;(3) 在高围压三轴压缩条件下,与加载轴向呈一定夹角贯通岩石内部的宏观断裂面,主要以晶质体内张拉破坏以及相邻晶质体边界上黏结张拉、剪切破坏构成,导致岩石产生宏观剪切破坏;(4) 对于类似于花岗岩的硬脆性岩石而言,采用等效晶质模型可再现岩石较低的单轴抗拉与单轴抗压强度比值,且其强度特性采用Hoek-Brown强度准则描述更为合理。     

细观组构特征对含U型切槽岩石梁断裂特性的影响规律

为了揭示细观组构特征对岩石断裂特性的影响规律，基于临界距离理论，建立含U型切槽岩石梁表观断裂韧度KIN与固有断裂韧度KIC、临界距离L以及切槽半径ρ的理论关系，提出确定KIC与L的新途径。采用离散元数值方法，通过构建不同矿物晶粒粒径、不同非均质性的岩石晶粒离散元模型，开展含U型切槽岩石梁的三点弯曲数值模拟实验，结合理论分析结果，获得岩石表征断裂韧度、固有断裂韧度与临界距离；分析矿物晶粒尺寸与非均质性对岩石断裂韧度与临界距离的影响规律。研究结果表明：通过数值实验直接测定的岩石断裂韧度、临界距离值与理论求解得到的结果相符，数值实验具有较高的可靠性。细观组构特征对岩石的断裂特性具有显著影响，随着矿物晶粒尺寸增大，岩石的断裂韧度KIC逐渐减小，临界距离L逐渐增大；随着岩石非均质性的增大，断裂韧度KIC与临界距离L逐渐减小。     

非均质性对砂岩试样宏细观破坏特征影响研究

砂岩的细观非均质性是造成应力–应变曲线及破坏特征差异性的本质原因。为探究非均质砂岩的宏细观破坏特征，采用X射线衍射(XRD)精细表征砂岩的矿物成分和含量，通过Fish语言构建矿物、节理力学参数正态分布的UDEC-Tri非均质模型，提出非均质岩样的损伤判别指标，研究了矿物颗粒弹性模量、矿物颗粒空间分布及节理黏聚力的非均质性对岩样宏观破坏及细观损伤的影响规律。结果表明：矿物弹性模量的非均质度(Cvb)增大，岩样应力–应变曲线的非线性特征增强，切线模量和抗压强度呈线性降低趋势，宏观破坏形式从剪切破坏向劈裂破坏转变。另外，Cvb值增大导致更多相邻矿物颗粒屈服不同步，张拉裂纹占比增加，岩样起裂应力与损伤应力降低。Cvb值相同时，矿物颗粒空间分布导致相邻颗粒之间出现力学参数“薄弱接触面”，与宏观裂缝扩展路径的一致性较好，是低强度岩样破裂特征离散性的根本原因；相比矿物Cvb，节理非均质度(Cvj)对岩样力学性质的弱化作用更显著。随着Cvj的增大，岩样张拉裂纹长度逐渐增加直至超过剪切裂纹，小尺度裂纹占比增大，其破裂模式从“单斜面剪切破坏”转变为“X状共轭斜面剪切破坏”。研究结果解释了同一产地、尺寸砂岩...     

基于数字图像的岩石非均匀性表征技术及初步应用

依据数字图像处理理论,研发出一种基于数字图像的岩石非均匀性表征技术。该技术描述的非均匀性更接近于岩石的真实非均匀性,并将其映射到有限元网格中,与原有的岩石破裂过程分析系统（RFPA）相结合,建立一种更能准确反映岩石细观结构的数值模型,从而弥补传统数值方法所采用统计理论表征岩石非均匀特性的不足。通过对2种常规试验（单轴压缩和单轴直接拉伸）的数值模拟,再现花岗岩试件在荷载作用下的真实破裂过程。数值模拟结果表明：岩石的细观结构对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响。该方法为进一步研究岩石、混凝土等非均质材料的力学特性和破坏机制提供一种新的手段。     

非均质岩石材料宏细观力学参数的关系研究

利用基于岩石矿物种类及其含量提出的岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法,针对两矿物细胞元混合的非均质岩石模型进行参数赋值,通过数值试验研究了非均质岩石材料矿物细胞元含量及其力学参数对岩石宏观力学参数的影响;根据数值试验结果,探讨了岩石材料矿物细胞元弹性模量与宏观模量之间的函数关系。研究结果表明,岩石宏观弹性模量与矿物细胞元弹性模量、矿物细胞元含量都具有十分显著的线性相关关系,即基于岩石矿物种类及其含量的矿物细胞元随机性参数赋值方法建立的岩石有限元模型宏细观力学参数之间呈显著的线性关系;宏观力学参数可用细观力学参数的数学期望值即加权平均值来表示。     

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。     

高温后两种晶粒花岗岩破坏力学特性试验研究

晶粒尺寸对花岗岩高温力学行为有着较大影响,进而也影响高放核废料处置库的安全稳定.基于此,选择两种不同晶粒花岗岩进行高温后巴西劈裂及常规三轴压缩试验,分析其物理力学参数随围压及温度的演化规律,结果表明,粗晶花岗岩较细晶花岗岩含有较多缺陷,总体上其强度及弹性模量较细晶花岗岩低,同时粗晶花岗岩对温度更加敏感.但在高围压下粗晶...     

基于细观结构表征的岩石破裂热–力耦合模型及应用

 岩石热破裂的研究只有考虑各种矿物组分造成的岩石的非均匀性,才能更客观地反映岩石热破裂的本质。利用数字图像处理技术数字化表征岩石内部矿物颗粒的几何形态,充分考虑岩石真实的细观结构,结合细观损伤力学和热弹性理论,建立能更客观的分析岩石热–力耦合作用下破裂过程的数值模型。以花岗岩为例,运用数值模型研究花岗岩在温度和压缩荷载共同作用下的力学行为和破裂过程。研究结果表明,温度对岩石的力学性质和破裂演化过程影响显著,热破裂裂纹多发生在矿物颗粒边界处,并沿颗粒边界扩展,局部会形成闭合多边形,其热破裂演化过程与试验结果基本相符,从而验证了数值模型的合理性和有效性,该数值模型为细观尺度定量研究岩石热破裂提供一种新的方法。     

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。     

基于数字图像的非均质岩土工程材料的数值分析方法

提出了一种基于数字图像的非均质岩土工程结构的二维数值分析方法。以花岗岩为例,先将岩石的表面图像导入计算机中;然后采用基于彩色空间的数字图像技术将组成花岗岩的几种主要材料:长石、石英和黑云母一一分辨出来并再现岩石的细观结构;再通过一个简单的线性转换,将图像细观结构转换为矢量细观结构;最后,岩石的矢量细观结构可以与数值计算方法--有限元法或有限差分法结合,从而实现非均质岩石材料的力学分析。采用有限差分法FLAC程序来分析岩石的破坏过程。传统室内试验数值模拟表明材料的细观结构对应力分布和破坏模式有着明显的影响,基于数字图像的数值分析方法可以真实地实现岩土工程材料的非均质分析。     

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...     

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。     

基于PFC3D-GBM的晶体–单元体尺寸比对花岗岩动态拉伸特性影响分析

为从矿物颗粒尺度上探究花岗岩的动态拉伸力学行为,提出一种新型的基于颗粒流方法(particle flow code,PFC)的三维等效晶质模型(grain-basedmodel,GBM),并利用FDM-DEM耦合建模技术构建三维分离式霍普金森压杆(splitHopkinsonpressurebar,SHPB)模拟系统。利用该系统对模拟岩样进行动态半圆弯拉(semi-circular bending,SCB)试验,探究试样破裂过程,并讨论晶体–单元体尺寸比对花岗岩动态拉伸力学行为的影响。研究结果表明：动载作用下的试样内部裂纹数目演化过程可分为萌生、缓慢增长、急速增长、趋于稳定4个阶段,且拉伸破坏是引起试样整体破裂的主要力学机制。随着晶体–单元体尺寸比的增加,试样晶内接触数量占总接触数量的比值逐渐上升并趋于稳定,而晶间接触占比则相应减小。试样破坏后产生的晶内裂纹数量占总裂纹数量的比值逐渐增大,导致试样发生宏观断裂时所需的外部荷载值上升,因此其动态抗拉强度上升且逐渐趋于稳定。PFC3D-GBM在研究晶质性岩石动力学方面具有可行性,是从矿物颗粒尺度上进行岩石力学探究的有力工具。     

基于VMIB的非均质岩石材料破坏的数值模拟初探

VMIB模型是在VIB基础上提出的一种新型多尺度力学模型,VIB模型认为固体材料在微观上是由随机分布的质量微粒组成,微粒与微粒之间由一虚内键连接;而在VMIB模型中,微粒与微粒之间则由切向键和法向键共同连接或者由具有法向刚度和切向刚度的虚内键连接.材料的宏观本构方程直接由微粒之间的相互作用推导出来.由于VMIB能够再现材料泊松比的多样性,因此可以应用到更广泛的工程材料.非均质材料（岩石）由不同的组分构成,因此,材料中各点的力学属性不同.为有效地模拟这种材料的破坏过程,初步将岩石的非均质特性引入到VMIB模型中,并对裂纹的生成及扩展过程进行模拟.数值模拟结果表明：如果将岩石视为均质材料,则在围压下的裂纹扩展具有很强的规则性,出现单一剪切裂纹,岩石呈剪切破坏;如果将岩石视为非均质材料,则多条裂纹同时在不同点处开始生成、扩展并汇合,破坏模式总体上呈剪切破坏.从数值模拟结果来看,该法能够模拟非均质材料（岩石）的破坏过程,并能初步反映非均质特性对宏观裂纹行为的影响.