岩石厚壁圆筒试验破坏的细观力学机制

 目前采用传统颗粒体模型较难表征岩石内部不规则矿物颗粒的结构特征。以颗粒流理论及PFC程序为平台,采用平面黏结接触模型,构建能反映矿物颗粒结构特征的岩石厚壁圆筒数值模型,从细观力学角度深入探究岩石厚壁圆筒试样在不同内外部围压条件下的破裂机制与规律。研究表明：当内部围压为0时,试样张拉型微破裂占主导优势;层状剥离的破碎颗粒体以轴线为中心形成近似对称的“V”型破坏区域。当内部围压不为0时,随着内部围压不断增大,试样承受的极限外部围压逐渐增大;试样剪切型微破裂逐渐占主导优势,以轴线为中心产生的近似对称的“V”型破坏区域逐渐消退,破坏逐渐从内径岩壁向各个方向扩展。无论内部围压是否为0,试样外部围压、外部体应变等破坏参量演化曲线均可近似划分为3个阶段。     

岩石厚壁圆筒试验破坏的细观力学机制EI北大核心CSCD

目前采用传统颗粒体模型较难表征岩石内部不规则矿物颗粒的结构特征。以颗粒流理论及PFC程序为平台,采用平面黏结接触模型,构建能反映矿物颗粒结构特征的岩石厚壁圆筒数值模型,从细观力学角度深入探究岩石厚壁圆筒试样在不同内外部围压条件下的破裂机制与规律。研究表明:当内部围压为0时,试样张拉型微破裂占主导优势;层状剥离的破碎颗粒体以轴线为中心形成近似对称的"V"型破坏区域。当内部围压不为0时,随着内部围压不断增大,试样承受的极限外部围压逐渐增大;试样剪切型微破裂逐渐占主导优势,以轴线为中心产生的近似对称的"V"型破坏区域逐渐消退,破坏逐渐从内径岩壁向各个方向扩展。无论内部围压是否为0,试样外部围压、外部体应变等破坏参量演化曲线均可近似划分为3个阶段。     

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

 采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。     

单轴压缩条件下含双圆孔类岩石试样力学特性的细观研究

圆孔作为一种典型的岩石缺陷,对岩石的力学特性具有重要影响。采用室内试验及PFC2D程序,构建含双圆孔类岩石试样并对其进行单轴压缩试验,研究其不同圆孔间距、倾角组合条件下的强度、裂纹模式及破裂孕育演化特征。研究表明:(1)当间距不变时,随倾角的增大,试样单轴抗压强度呈先减小后增大的趋势,且在倾角为45°~60°时达到最低单轴抗压强度;当倾角为90°恒定时,随间距的增大,试样单轴抗压强度呈先增大后减小的趋势,且在间距为40 mm左右时达到最大单轴抗压强度。(2)试样产生的裂纹类型可分为I型(张拉型)裂纹、II型(剪切型)裂纹、III型(混合型)裂纹等三类。当孔距较近时,随倾角的增大,圆孔间裂纹类型逐渐由III型裂纹转变为II型裂纹,两圆孔靠近加载端部一侧的孔壁逐渐产生I型裂纹,靠近试样两侧边界处的孔壁始终会产生II型裂纹。当倾角为90°恒定时,随间距的增大,两孔间相互作用减弱,但两圆孔靠近加载端部一侧及靠近试样两侧边界处的孔壁,始终分别产生I型裂纹和II型裂纹。(3)两孔间岩桥连线上的II型裂纹首先产生,其次在圆孔靠近加载端部一侧的孔壁产生I型裂纹,最后在圆孔靠近试样两侧边界处的孔壁产生II型裂纹。通常构成II型裂纹的声发射事件破裂强度,高于构成I型裂纹的声发射事件破裂强度。     

颗粒流细观强度参数与岩石断裂韧度之间的关系

 为研究岩石颗粒流分析模型中细观强度参数的物理意义,以接触黏结模型(CBM)中等效微梁的模型为基础,通过对2个黏结颗粒的拉伸和剪切状态进行分析,推导岩石颗粒流细观应力和断裂强度因子关系的理论公式,进而建立强度参数与岩石断裂韧度关系的理论模型。分析结果表明,岩石断裂韧度与细观强度呈线性关系。岩石颗粒最小粒径与颗粒半径比均对断裂强度因子有不利影响,且颗粒半径比的影响较大。以重庆地区砂岩为例,给出岩石断裂韧度与颗粒流细观强度之间的定量表达式,结果表明,岩石I型断裂韧度理论计算值范围与实测值较为相符。     

岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响

 基于二维颗粒流软件,采用2种不同算法生成clump和cluster模型,研究细观参数和结构(结晶颗粒大小形状分布、预制微裂纹)对宏观力学特性的影响,量化宏细观参数对应关系,探讨微裂纹发展演化规律及试件破坏的细观机制。研究表明：(1) 2种模型生成算法各有优势,圆形区域标记法模型力学特性随细观参数变化规律性较好,波动较小,搜索算法能较好地控制结晶级配组成;(2) 单轴抗压强度UCS、抗拉强度TS与clump半径、无黏结比例(随机分布微裂纹)呈指数函数变化,与黏结强度比呈幂次函数关系;弹性模量、泊松比与上述三细观参数均呈线性变化,且二者变化趋势相反;UCS/TS比值随clump半径、黏结强度比、cluster黏结强度比值n、无黏结比例的增加而增大,且黏结强度比对其影响最大;张拉裂纹比例受黏结强度比影响最大,clump半径影响次之;(3) 单轴压缩下试件以张拉破坏为主,张拉裂纹优势导向主要沿轴向扩展,剪切裂纹则主要沿与轴向夹角20°～40°扩展,巴西劈裂试样张拉破坏裂纹均贯穿试件中心。clump与cluster模型微裂纹扩展演化过程及破坏模式差异较大,相比cluster模型,clump模型剪切裂纹比例相对较大,裂纹破碎带更宽,破裂面粗糙不平整。     

北山花岗岩细观损伤力学本构模型研究

 甘肃北山花岗岩是一种典型的准脆性材料,与裂纹有关的非弹性变形和损伤发展是其材料劣化和结构破坏的基本力学机制。基于均质化方法和热动力学理论,提出模拟北山花岗岩非线性力学行为的损伤–摩擦耦合本构模型。把花岗岩看成是由基质和大量分布的微裂纹构成的非均质材料,并以固体基质和币型微裂纹构成的特征单元体为研究对象。通过均质化方法确定特征单元体的自由能表达式,推导出与非弹性应变和损伤变量相关联的热动力学力,分别采用关联的广义库仑摩擦准则和基于应变能释放率的损伤准则来描述非弹性应变和损伤的演化。通过损伤–摩擦耦合分析进行强度研究,获得岩石强度的解析表达式,并明确损伤抗力函数的基本特征。运用所提出的细观力学损伤模型对北山花岗岩的三轴压缩力学特性进行模拟。数值模拟结果和试验数据具有较好的一致性,可验证模型的准确性,显示多尺度本构模型的突出优点。     

等效岩体技术在岩体工程中的应用

 以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明：(1) 等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2) 随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3) 等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4) 等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。     

岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析

 以颗粒流理论和PFC程序为平台,根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法。该方法可同时给出声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特征,再现岩石裂纹孕育、发展和贯通过程,从而揭示岩石的破坏机制。结合室内花岗岩破裂全过程声发射特性试验研究成果,通过试验和计算结果的对比分析,验证该方法的可靠性,并得到以下结论：(1) 在试样峰值强度前,声发射事件次数较少、破裂强度较低,且在试样内部随机分布;从试样峰值强度起至破坏时的残余强度,声发射事件次数较多、破裂强度较高,且主要沿宏观破裂带附近分布。(2) 声发射事件次数随破裂强度变化近似呈正态分布。在均值与最大破裂强度之间,声发射事件累积数随破裂强度的降低近似呈线性对数函数关系。(3) 每次声发射事件所包含的微破裂数,随破裂强度的提高而增加,近似呈波尔兹曼函数关系。(4) 声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系,即包含微破裂数越少的声发射事件,其所占总数的比例越大。研究成果可弥补现有声发射试验及模拟方法的不足,并作为一种新的手段为声发射试验与现场微震监测研究所利用。       

岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析

 基于颗粒流理论和PFC程序,在解决建模过程中悬浮颗粒的消除、恒定法向荷载伺服机制的施加、拟静力加载状态的选取等问题后,较为完善地实现岩石节理PFC数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度深入探讨节理在直剪试验过程中的力学演化特征和破坏机制。结合已有的节理直剪试验成果,进行室内试验和计算结果的对比分析,验证计算方法的可靠性。研究成果如下：(1) 随恒定法向荷载的增大,剪切应力及其峰值时刻的剪切位移增大,节理面上黏结破坏颗粒增多,而剪切阻抗和节理剪胀效应却降低;(2) 随剪切位移的增加,节理面上粒间法向接触数不断减少,接触矢量方向逐渐向剪切荷载施加方向偏转,而粒间接触压力不断增大,裂纹不断沿节理面附近产生,破裂频数在剪切应力达到峰值时最为强烈;(3) 数值试验得到的剪切阻抗值普遍高于试验值,但减小模型颗粒半径可有效降低计算剪切阻抗值。室内试验和计算结果对比分析表明,新提出的颗粒流计算方法非常适用于岩石节理直剪试验的数值模拟,可为室内节理直剪试验和PFC节理模型细观力学参数选取的深入研究提供有益的参考。     

大理岩脆–延–塑转换特性的细观模拟研究

 针对锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆–延–塑转换特性,采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过对室内试验结果的反复模拟校准,获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。模型试验结果表明：试样的一系列宏观力学表现,包括弹性模量、泊松比、单轴与启裂抗压强度、应力–应变曲线、峰值与残余强度包络线、拉压强度比以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明：不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆–延–塑转换特性的主要原因;张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式,而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延–塑性破坏模式转换。     

硬脆岩石的微观颗粒模型及其卸荷岩爆效应研究

 为准确反映硬脆岩石的力学特性并对其卸荷岩爆效应进行合理模拟,从微观层面建立了硬脆岩石的力学模型。首先依据花岗岩岩样的衍射测试确定了模拟岩样的微观结构,其次从能量发展和应力–应变2个角度确定了硬脆特性的评价指标,借助评价指标进行岩样的颗粒效应分析和力学性能调控,进而构建了一种反映岩石硬脆特性的微观颗粒模型“可视构架”(基于现有岩样结构,颗粒与黏结参数需保持的趋势和量值限制)。应用模型并采用颗粒流程序PFC3D对不同围压三轴卸荷下的岩爆效应进行模拟分析,结果表明：岩样的低围压卸荷与高围压卸荷都体现出以张拉性质为主导的黏结断裂,但高围压卸荷比低围压卸荷有更高的张拉断裂比重,体现出更明显的脆性破裂性质,应力跌落曲线表现得更为陡直;低围压卸荷下颗粒动能在破裂过程中均有所发展,岩爆效应体现出“持续型”特点,高围压卸荷下颗粒动能则表现出明显的差异性,岩爆效应体现出“爆发型”特点。     

岩石波速与损伤演化规律研究

岩石波速随应力的变化对研究损伤演化具有重要意义。采用颗粒流程序建立9种不同模型,在模型内设置激发源和接收器,通过对激发源施加速度脉冲并记录接收器信号模拟波的传播与衰减,可以得出:配位数与孔隙率呈线性变化关系,波幅衰减与枝矢量分布直接相关,波速主要受孔隙率、配位数张量和刚度张量影响。模拟岩石双轴压缩应力–应变过程中轴向和侧向波速,微裂纹主要沿轴向分布,相比剪切裂纹,张拉裂纹优势导向与轴向夹角较小,且随着裂纹的增多,波速及枝矢量分布各向异性逐渐增大。波速变化的内在原因是新接触点的形成、黏结断裂和接触点的分开,波速变化依赖于刚度张量相应分量的平方根,二者变化规律基本保持一致。通过刚度张量及枝矢量分布变化确定损伤特性及导向,是一种量化波速与损伤的新方法,可为损伤演化规律研究提供参考。     

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。     

裂隙岩体水力等效连续介质存在性的评价

初步建立了裂隙岩体水力等续介质是否存在的二维判别方法。一方面证明了水力等效连介质中渗透作用运动效果等的必要性;另一方面建立了半理论－半数值模拟试验方法,讨论裂隙岩体是否存在渗透作用力变形效果和流量两者同时等效意义下的连续介质。最后给出了一个算例。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。