考虑节理裂隙尺寸与方位分布的岩石统计损伤本构模型研究EI北大核心CSCD

为建立细观损伤与岩石宏观变形之间的定量关系,基于岩石强度的Weibull概率分布特征,结合损伤力学理论、统计强度理论与分形理论,考虑节理裂隙尺寸为分形分布和方位为正态分布的情况,建立岩石统计损伤本构模型和损伤演化方程,分析了损伤演化途径。给出与裂隙尺寸、尺寸分形维数和产状相关的本构模型参数,讨论了模型参数的物理意义和影响因素。结合前人试验测试结果加以验证,分析了统计损伤本构模型的合理性与不足之处。     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

考虑节理裂隙尺寸与方位分布的岩石统计损伤本构模型研究

为建立细观损伤与岩石宏观变形之间的定量关系,基于岩石强度的Weibull概率分布特征,结合损伤力学理论、统计强度理论与分形理论,考虑节理裂隙尺寸为分形分布和方位为正态分布的情况,建立岩石统计损伤本构模型和损伤演化方程,分析了损伤演化途径。给出与裂隙尺寸、尺寸分形维数和产状相关的本构模型参数,讨论了模型参数的物理意义和影响因素。结合前人试验测试结果加以验证,分析了统计损伤本构模型的合理性与不足之处。     

基于对数正态分布的岩石损伤本构模型研究

根据岩石微元物理力学性能服从随机分布的特点,采用对数正态分布作为岩石微元强度的概率分布模型,结合损伤力学理论和统计强度理论,建立了三轴压缩条件下的岩石损伤本构模型。在此基础上,考虑岩石破裂过程全应力应变曲线的特点,利用多元函数极值理论依据试验曲线的特征参量确定出损伤本构模型参数。与试验结果及前人研究结果比较,该模型形式简单,参数求取容易,能较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,表征岩石破裂过程的全应力应变关系。     

岩石统计损伤本构模型及其参数反演

结合连续强度理论和统计理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,建立了岩石统计损伤本构模型。分析结果表明,将岩石破坏准则作为微元强度分布变量建立统计损伤本构模型时,破坏准则的选择对建立的模型曲线和损伤岩石等效弹性模量的影响较大,因此应选取合适的岩石破坏准则。运用岩土工程反演分析方法,求解了本构模型中的统计分布参数,使所得的统计损伤本构模型能够考虑应力状态对模型曲线的影响。与前人理论曲线和试验结果的比较表明,所建立模型合理且具有工程实用价值。     

基于正态分布的岩石软硬化损伤统计本构模型及其参数确定方法探讨

在现有新型岩石损伤模型研究基础上,首先,利用岩石微元强度服从正态分布的规律与岩石损伤的能量原理建立能反映特定围压下岩石应变软化或硬化变形全过程的损伤统计本构模型;其次,通过研究特定围压下岩石应力应变全曲线的特征及其在不同围压下特征参数(峰值点强度与应变)之间的关系,建立岩石损伤软硬化统计本构模型参数的确定方法,从而建立能充分反映不同围压下岩石应变软硬化变形全过程的统一损伤软硬化统计本构模型,该模型具有参数少、易于确定和能同时反映岩石应变软硬化特性的特点,并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义。理论与试验结果的比较分析表明了本文模型的合理性。     

珊瑚砂微生物固化体单轴损伤本构模型

利用MICP技术固化南海某岛礁吹填珊瑚砂,对固化体试样进行了单轴抗压强度试验,基于损伤力学理论建立了单轴压缩条件下的固化体损伤本构模型。结果表明:利用MICP技术得到的珊瑚砂微生物固化体无侧限抗压强度均大于5 MPa,固化体单轴受压应力-应变曲线可大致分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段与破坏软化阶段。基于连续介质损伤力学理论,假定固化体微元强度服从双参数的Weibull分布,考虑应力-应变曲线特征进行参数简化后建立了单轴压缩条件下的损伤本构模型;模型采用经验拟合方程与损伤本构方程结合的分段函数形式,用试验资料初步验证了模型的合理性。     

饱和、非饱和岩石损伤统计本构模型探讨

基于统计理论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤特征进行了探讨,建立了弹性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力,并能反映岩石剩余强度。在混合物理论基础上,建立了饱和、非饱和岩石损伤软化统计本构模型。该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力-应变曲线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力-应变关系所起的作用。与试验结果的比较显示模型是合理的。     

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。     

岩石裂纹扩展诱发的强度弱化模型研究

岩石应力应变本构关系对于判断岩石强度、变形力学特性有着重要的意义,细观裂纹对岩石力学特性又有着重要的影响。基于细观裂纹扩展模型,将裂纹角度影响引入模型,并结合宏细观损伤定义联系,建立了一个考虑裂纹角度影响的轴向应力应变本构模型,并解释了围压与轴向应变本构关系,分析了裂纹贯通与岩石失效极限应变之间的联系,然后将该本构模型,与常规压缩试验与循环加卸载试验对比分析得到的试验规律相结合,提出了一个岩石内部裂纹扩展、变形损伤作用下岩石压缩强度弱化模型。并通过将不同围压下的裂纹启裂应力试验值和理论公式相结合,预测了模型中难以试验直接获取的关键参数μ,a,β,φ。其中初始裂纹尺寸a与裂纹角度φ,是由真实岩石中随机分布裂纹尺寸、角度平均化思维获取。随着裂纹扩展或应变增加,岩石压缩强度开始保持不变,当岩石达到一定损伤后不断降低。该强度弱化模型的应用,为地下工程围岩稳定性评价提供了一个重要的理论支持。     

基于改进Harris分布的岩石损伤统计本构模型研究

结合连续损伤理论和统计损伤理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,提出了一种新的岩石微元强度概率密度分布函数—改进的Harris函数,建立了基于改进Harris分布的岩石损伤统计本构模型,并分别用曲线拟合法和多元函数求极值法确定了模型参数,最后用试验数据对模型进行了验证。结果表明:该模型理论曲线与试验曲线吻合良好,能够较好的反映岩石在三维应力状态下的应力—应变关系和破坏全过程,特别是岩石的应变软化特性和峰值强度随围压增加而增大的特性,从而说明了模型的合理性和可行性。     

Crack pattern evolution and a fractal damage constitutive model for rock

To understand the deformation and fracture behavior of rock, it is useful to observe the variation of cracks in rock, and characterize the crack pattern as well as deduce a constitutive model. In this study, the development of microcracks on the surface of rock specimens under increasing stress is monitored under direct SEM observation. The initiation, extension and coalescence of cracks are photographed and then analyzed. The Box fractal dimension of cracks and its variation with stress level for a small unit of specimen is determined. Based on the test results, a fractal damage constitutive relation for the deformation and brittle fracture of rock materials is proposed. The damage variables are defined according to the fractal characteristics of microcracks and microcavities in rock media. The evolution equations for both isotropic and anisotropic damage variables are derived. Predictions of a uniaxial compression test on Fangshan marble are found to agree with the experimental results.     

岩石损伤统计本构模型的研究

基于概率论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏，损伤和弹塑性变形等特征进行了探讨，建立了弹塑性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力，并能反映岩石剩余强度，与试验结果的比较显示了该模型的合理性。     

岩石细观结构量化试验研究

岩石是一种多尺度材料,以往的研究大多是在宏观尺度下进行的,由于岩石在外部荷载作用下的断裂乃至破坏是由于处于细观尺度的微裂隙的增长和贯通引起的,所以对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于了解和研究岩石的力学性质有一定的意义.首先,基于损伤理论建立一套岩石细观量化试验方法,利用扫描电镜对四川锦屏大理岩进行观测,得到大量岩石细观结构图片.基于数字图像处理理论,利用区域生长算法对图片进行处理,并编制相关程序实现图像增强和图像分割,从分割后的二值化图像中提取微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等细观信息.然后,利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行统计分析,得到各参数的统计规律,进一步利用Monte Carlo理论模拟岩石细观结构体积表征单元.最后,依据几何损伤理论得到岩石细观结构体积表征单元的初始损伤张量,将其引入到G.Swoboda的损伤理论中,模拟得到单轴压缩试验和常规三轴压缩试验的应力-应变关系,并与实际试验的结果进行比较.结果显示可以较准确模拟2种力学状态下的应力-应变关系.     

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。     

基于中主应力的岩石统计损伤软化模型参数研究

岩石本构关系问题一直是岩石力学研究的重点问题,基于损伤力学理论,假设岩石的损伤变量分别服从幂函数分布与正态分布,建立考虑中主应力影响的模型,总结参数规律。通过两种分布函数所建立的岩石统计损伤软化本构模型与试验结果对比,以及分析损伤变量D的数值变化探讨模型适用性,研究表明:建立的模型曲线均能够较为理想地与实验曲线吻合,与岩石材料的力学性质基本吻合。而正态分布函数模型较幂函数分布模型的损伤变量D演化趋势更为合理。