水–力耦合作用下页岩力学特性及其损伤本构模型研究

通过开展不同渗透水压力与三轴压缩作用下的页岩试验，分析页岩的变形、强度和破坏特征，建立考虑渗透压作用的页岩全应力–应变损伤本构模型。结果表明：(1)在常规三轴压缩和渗透水压力共同作用下，页岩的强度明显弱化，残余强度受渗透压的影响较大。(2)在不同围压和渗透水压力作用下，页岩从剪切破坏到拉剪复合破坏再到陡倾角剪切破坏，共计产生5种不同的剪切破坏形式。(3)在常规三轴压缩和渗透水压力共同作用下，页岩强度仍满足M-C强度准则，但内摩擦角和黏聚力均随渗透压力的增大而降低。(4)建立能够反映页岩在不同围压和渗透压作用下的应力–应变全过程的损伤本构模型，并可通过总损伤变量–应变曲线预测页岩的残余强度，理论曲线与试验数据吻合较好。     

岩石的高温动态统计损伤本构模型研究

结合连续强度理论和随机统计分布假设,在常温统计损伤演化方程的基础之上引入温度影响因素,推导了大理岩的高温统计损伤演化方程;采用组合建模的方法,以损伤力学为基础,将统计损伤体引入到粘弹性本构模型中,构建了能够反映温度影响效应的大理岩高温动态统计损伤本构模型。利用带高温装置的分离式霍普金森压杆试验系统进行了大理岩在不同高温与不同加载速率共同作用下的动态力学试验,基于试验结果,确定大理岩高温动态统计损伤本构模型的参数,并对理论模型进行验证,拟合程度较好,可为岩石类脆性材料动态本构关系的进一步研究和工程应用提供参考依据。     

软岩及混凝土材料损伤型黏弹性动态本构模型研究

 根据软岩及混凝土材料在动载下的应力–应变曲线特点,并结合损伤体与黏壶所具有的特性,建立一种适合软岩及混凝土材料的损伤型黏弹性动态本构模型方程。该模型的建立是以朱王唐模型为基础,采用损伤体代替朱王唐模型中的弹性元件对现有损伤型朱王唐模型进行改进而建立的一种损伤型黏弹性动态本构模型方程。为说明该模型方程的合理性,采用建立的本构模型方程对分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统下实测的应力–应变曲线进行拟和,拟和曲线和实测曲线具有很好一致性,因此,该模型可为软岩及混凝土材料的动态本构关系的进一步研究及其工程应用提供一定的参考。     

一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构模型

阐述一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构模型研究的意义。采用组合模型研究方法,将岩石单元看成一个弹性元件和一个黏性元件串联后与损伤体Da1并联,最后与损伤体Da2串联,构成岩石单元组合体力学模型,推出一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构方程。针对建立的本构模型,设计矽卡岩、蛇纹岩在一维高应力及重复冲击共同作用下的岩石力学试验,试验结果得出,峰值应力前动态应力–应变曲线变化的趋势一致,没有压密阶段,仅有弹性阶段、非线性变形阶段,峰值应力后出现回弹、不回弹2种现象。借助试验结果对建立的本构模型进行验证,结果表明建立的本构方程的拟合曲线和试验曲线具有很好的一致性。     

水–岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型

在库水位周期性升降变化作用下，库岸边坡消落带节理岩体长期处于浸泡–风干循环作用状态，为研究消落带节理岩体的损伤劣化特性，选取三峡库区库岸边坡消落带典型节理岩体为研究对象，进行考虑水压力升降变化和浸泡–风干循环过程的水–岩作用试验，系统分析节理岩体的剪切力学性能和微细观结构损伤演化规律。结果表明：(1)水–岩作用下节理岩体抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势，总体可以分为3个阶段，其中前6个水–岩作用周期导致节理面的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右，水–岩作用10期后，节理面抗剪强度总劣化度为30%左右。(2)水–岩作用下节理面微细观结构损伤劣化显著，逐渐由密实状态转变为疏松多孔状态，节理面平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率等形貌参数呈先陡后缓的劣化趋势，宏观上表现为节理面粗糙度系数JRC和岩壁强度降低，节理面上、下盘吻合度降低，进而导致了水–岩作用下节理岩体剪切性能特性逐渐劣化。(3)基于Clough-Duncan双曲线模型，建立考虑水–岩作用损伤的节理岩体剪切本构模型，验证分析表明，该模型可较好反映水–岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律。相关研究方法和结论可为库岸边坡长期...     

基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型研究

为准确表征岩石细观裂纹扩展演化过程的力学特性。基于唯象理论,将岩石细观结构概化为完整岩石微元体、裂纹扩展损伤微元体和孔隙三个部分;利用微元体间的静力平衡关系,构建岩石细观受力模型。在此基础上,根据岩石裂纹扩展演化特征,提出利用生物阻滞增长模型表征岩石裂纹扩展长度;基于几何损伤理论,建立裂纹扩展长度与损伤的定量关系,构建岩石裂纹扩展损伤演化方程;并利用断裂力学求解裂纹扩展损伤微元体的实际应力;通过将裂纹扩展损伤和损伤微元体实际应力引入岩石细观结构静力平衡方程,考虑软岩压密阶段非线性变形的影响,建立基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型;最后,提出模型参数的确定方法,并探讨模型参数对岩石力学性质的影响规律。结果表明：该模型能较好表征岩石裂纹扩展过程的应力应变特征,与实验结果吻合度较高,且模型参数物理意义明确。     

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。     

应力–冻融耦合作用下砂岩变形与损伤特征研究

寒冷地区工程岩体承受应力和冻融循环的共同作用。在长期应力–冻融耦合作用下,岩石力学性能会产生显著弱化,造成工程岩体灾害。为了研究应力–冻融耦合作用下砂岩的变形和宏细观损伤特征,首先采用砂岩试样开展冻融循环试验,研究无应力作用下砂岩冻融循环过程中的冻融变形规律。然后提出一种基于颗粒流和颗粒膨胀的岩石冻融循环数值模拟方法,并采用该方法开展应力作用下岩石冻融循环数值模拟,研究轴向应力作用下岩石冻融过程中的变形和破裂演化规律。研究结果表明：无轴向应力时,随着冻融循环次数的增大,砂岩的轴向和径向应变先增大后基本保持不变;冻融循环过程中砂岩试样轴向和径向应变存在显著差异,试样径向应变大于轴向应变,砂岩试样轴向和径向应变的差异随着冻融循环次数的增多先增大后减小;轴向应力不为0时,试样轴向应变随冻融循环次数的增大逐渐减小,径向应变随冻融循环次数的增大逐渐增大;在冻胀力作用下,试样表面附近的裂纹密度大于试样内部的裂纹密度;冻融循环过程中,轴向应力会抑制裂纹沿与试样轴线夹角较大的方向起裂和扩展;冻融循环过程中,试样内的破坏以拉伸破坏为主;基于颗粒流和颗粒膨胀的数值模拟方法能够较好的模拟冻融循环过程中砂岩的...     

静动载耦合作用下裂隙岩石损伤本构及演化特征

裂隙岩石在经过地震作用后,包括初始弹性模量在内的强度参数将发生改变,力学特性受到影响。基于MTS岩石力学试验平台,预制不同裂隙倾角、间距和连通率的试样,在进行单轴压缩试验之前,预先施加一定频率和幅值的动荷载,以模拟地震波的影响。基于宏观统计损伤模型,考虑动荷载作用造成的初始损伤与静荷载损伤的耦合作用,并根据最小耗能原理确定的损伤门槛值,建立修正的裂隙岩石试样损伤演化本构方程,并与试验结果对比,表明该方程能很好的描述试样峰前应力–应变关系。通过对损伤变量演化与裂隙岩石试样结构面特征关系的分析,表明裂隙的特征参数不影响试样的宏观本构关系。随着裂隙倾角增加,初始损伤量和临界损伤量均增加,损伤累积过程更显著;随着连通率增加,初始损伤量和临界损伤量均增加;随着裂隙间距增加,裂纹搭接、贯通程度增加,初始损伤量基本不变,临界损伤量减小。     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

巴东组泥岩水作用的特征强度及其能量演化规律研究

为探讨饱水作用对巴东组泥岩的强度参数与变形特性及其能量演化的影响规律,进而建立力学特性、能量演化以及微裂纹发育三者间的内在联系,首先开展天然与饱和状态下泥岩的单轴压缩试验,采用应变曲线法确定特征强度,定量比较分析泥岩特征强度的劣化规律和能量参数的数值差异,深入挖掘泥岩水岩作用过程中的能量转化特征,据此给出泥岩饱水软化机制的能量解释。试验发现饱水作用对泥岩力学特性的影响表现为特征强度降低、脆性变形减弱、塑性变形增强、各变形段差异明显,对泥岩能量演化的影响表现为饱水后岩石吸能与释能性质减弱、耗能性质增强、各段的能量分配规律不同。随后,基于试验数据依托颗粒流软件虚拟实现同等条件下的数值试验,分析模拟试样微裂纹发育特征与能量演化的相互影响和相互作用,揭示泥岩能量演化的微细观机制。结果表明颗粒流理论在从细观力学角度解释岩石损伤破坏机制方面具有优越性,为岩石非均质特性的微细观研究提供了新的手段。     

高温三轴应力作用下油页岩的渗透特征各向异性演化规律实验研究

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向的油页岩的渗透率的演化规律。研究表明,垂直层理方向的渗透率在20℃～450℃在10^-20 m²之下,超出了稳态法渗透测试系统测试范围,处于超低渗阶段;当温度超过450℃之后,渗透率处于2.5×10^-19～1.17×10^-17 m²范围,450℃称之为垂直层理渗透率演化的阈值温度。平行层理的渗透率在20℃～400℃范围,都处于较低渗透率阶段,为2.3×10^-19～2.9×10^-18 m²,当温度高于400℃,平行层理方向的渗透率急剧增加,量级在10^-16～10^-15范围,因此400℃被称为平行层理渗透率演化的阈值温度。然后利用高温三轴瞬态法渗透测试系统,测得了...     

水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究

针对震后边坡岩体在降雨或库水浸泡作用下易出现变形破坏的现状,选取典型砂岩为研究对象,对岩样先进行循环加卸载损伤作用,再进行浸泡–风干循环水岩作用试验,对损伤砂岩在水岩作用下的劣化效应和机制进行详细研究。结果表明:(1)循环加载作用导致的岩石矿物颗粒界面滑移、局部接触变形和破坏不仅使得岩样产生塑性变形,而且使得岩样内部形成初始损伤;(2)在浸泡–风干循环水岩作用过程中,损伤砂岩的抗压、抗剪强度劣化效应明显,具有明显的时间效应和非均匀性;(3)与完整岩样相比,损伤岩样的强度劣化速度更快,说明水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应明显,这也能较好解释一些震后边坡在经历多个浸泡或者降雨周期后容易失稳的原因。     

单轴压缩作用下充填体损伤本构模型研究

1前言充填体力学特性的试验结果往往代表一定尺寸非均匀结构材料的平均力学性质,这种简化对于充填体工程结构及其稳定性的数值分析是非常有用的,但是却难以研究充填体材料在自身及外荷载作用下,由于裂纹的萌生、扩展及贯通而导致整体失稳的过程。当前,国内外对于充填材料力学性     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究

开展宏细观尺度的岩石损伤演化规律是评价冻岩力学性质劣化过程的基础。以含开口裂隙砂岩为对象,从开口裂隙体积的角度,基于称重法提出宏观损伤变量的计算方法;结合长期冻融循环下岩样成分及物理力学性质变化特性,对张开孔隙率之差进行了合理修正,由此得到冻融作用下的细观损伤变量;考虑荷载作用下初始孔隙、裂隙压密的特点,采用统计损伤力学理论,建立荷载作用下细观损伤变量计算模型;并通过基于Lemaitre应变等效假设的宏细观总损伤计算方法,计算得到宏细观耦合总损伤;根据推广后的应变等价原理,构建了考虑初始压密段影响的总损伤本构模型。为了验证模型的合理性,采用预制的含0°,30°,45°,60°,90°倾角的裂隙砂岩岩样和完整砂岩岩样,开展多次冻融循环后的物理力学性质试验。研究结果表明：冻融循环次数较少时,冻融损伤变量增长较快,冻融损伤变量随循环次数的增加逐渐趋于稳定并缓慢增加;裂隙倾角对砂岩岩样内部微孔隙、微裂隙的扩展影响表现为损伤变量的增速不同,含45°倾角岩样的冻融损伤变量增速最大,冻胀力引起含45°倾角岩样的微孔隙、微裂隙扩展速率最快;细观总损伤模型和宏细观耦合总损伤模型曲线演化规律趋于一致,冻融...     

冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究

针对寒区岩体工程中岩石的冻融问题,选取砂岩为试样,通过进行室内冻融循环试验、扫描电子显微镜观测和三轴压缩试验对砂岩质量损失、微观结构和力学特性进行了分析。然后基于Lemaitre应变等效假设理论,通过引入能够反映岩石冻融破坏过程中的细观冻融损伤变量和力损伤变量来描述岩石材料的劣化程度及损伤演化规律,并采用连续损伤力学理论,建立了冻融与围压耦合作用下岩石的损伤演化方程及细观损伤本构模型。采用理论推导的方法得出所需的模型参数表达式,最后利用冻融岩石的三轴压缩试验数据对该模型的合理性和准确性进行了验证。将试验曲线的峰值点与模型理论曲线的峰值点进行对比,结果表明两者吻合度较好,该损伤本构模型能够较好地反映岩石三轴压缩过程的应力-应变峰值特性,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性与可靠性。该模型拓展了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤模型,进一步的揭示了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤机制和破坏规律。     

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。     

页岩蠕变特性及模型研究

通过对页岩单轴蠕变试验结果的分析,研究应力状态对页岩强度及其时间相关性特征的影响,分析结果表明:页岩是一种软弱岩石,轴压对页岩的力学性质影响较大,通过试验获得的蠕变曲线和岩石参数,结合广义开尔文模型回归得出的页岩的蠕变本构方程,能较好地模拟试验结果.     

半成岩变形强度特征与损伤本构模型研究

半成岩工程性质差,力学性质受含水状态影响很大。以昔格达组半成岩为研究对象,通过室内三轴试验研究半成岩变形特征和受力破坏机制,引入损伤理论,建立反映半成岩全应力–应变过程的损伤本构模型。结果表明:(1)随着围压增加,半成岩峰值强度和残余强度均会提高,峰值强度对应的轴向应变有所增大,软化阶段应力–应变曲线波动性增强;(2)随着含水率增加(17.79%≤ω≤30.83%),半成岩峰值强度迅速降低,残余强度降幅较小,峰值强度对应的轴向应变有所增大;含水率较低时,峰值点尖锐,峰后应力快速跌落至残余强度,表现为岩石的软化特性;含水率较高时,峰值点坍落,峰后应力曲线斜率较缓,呈现应变软化向应变硬化转变的趋势,表现为土的变形特性;(3)半成岩峰值强度和残余强度在试验含水率范围服从Mohr-Coulomb准则,各强度指标均随含水率增加近似线性减小,其中,峰值黏聚力与峰值摩擦角对含水率的敏感性大于残余黏聚力和残余摩擦角;(4)所建立的半成岩损伤本构模型能较好地描述半成岩受含水率影响的强度、变形变化规律,模型曲线与试验结果一致,且形式简洁,参数较少。研究成果可为半成岩力学特性分析和工程应用提供试验依据和机制...