基于均匀化理论的岩石细观力学损伤模型 及其应用研究

基于均匀化理论构建细观力学损伤模型的热动力学框架,提出运用Eshelby夹杂问题解的岩石损伤摩擦耦合模型.其中,岩石被认为是由弹性固体基质和裂纹构成的非均匀材料.在细观力学分析的基础上,首先导出裂隙岩体宏观自由能的一般表达式及相应的热力学力,进而采用库仑型滑动摩擦准则和非关联流动法则来确定非弹性应变的变化率;损伤的演化用修正的Mazars损伤准则来描述.该模型能够考虑岩石及岩石类材料在外力作用下的主要力学现象如非线性应?C应变关系、材料损伤的各项异性、裂纹面内损伤和滑移的耦合、静水压力对力学响应的影响、体积膨胀以及裂纹闭合效应等.用提出的细观损伤模型模拟大理岩的常规三轴试验.研究结果表明,模拟值和试验值之间有较好的一致性,从而验证了模型的合理性和有效性.     

脆性硬岩CWFS强度准则模型等效塑性参数优化研究

 为探究适应脆性硬岩加载破坏的强度准则,以杏山铁矿混合花岗岩为对象,根据室内试验获得岩石物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴(?3 = 40 MPa)刚性加载试验进行模拟。通过岩石全应力–应变试验与模拟曲线、AE声发射与裂纹监测成果等综合比较研究,获得荷载作用下混合花岗岩细观力学特性及微宏观破裂演化规律。在此基础上,结合岩石单轴刚性加载试验曲线,裂纹数、摩擦力能量与轴向应变关系曲线,以及FLAC模拟,对脆性硬岩黏聚力弱化–摩擦力强化(CWFS)强度准则模型参数进行优化研究与验证。获得杏山铁矿混合花岗岩CWFS强度准则模型参数：初始黏聚力为23 MPa,残余黏聚力为4.3 MPa,初始摩擦角为0°,残余摩擦角为46.3°,临界塑性应变 , 分别为0.001 5,0.003 7。该研究成果对杏山铁矿露天转地下开采围岩体破坏机制和力学本构关系研究和工程稳定性分析等具有重要的意义。     

脆性岩石各向异性损伤和渗流耦合细观模型

采用细观力学方法提出一个岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。其中,岩石的损伤由裂纹的状态变量来表示,损伤演化通过裂纹扩展准则来定义,并采用细观力学的分析方法由含裂纹材料的自由熵推导出裂隙岩石的本构方程。同时可以假设：由于裂纹表面的粗糙不平,在裂纹扩展的同时将引起法向开度的产生,这是材料渗透系数变化的主要原因,根据上述假设及达西定律和微观层流理论,推导出岩石特征体积单元的渗透系数表达式,从而建立岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。模拟分析表明,提出的模型与试验结果吻合很好。     

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析

 运用偏光显微技术,比较不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比常温～800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征,采用细观损伤力学模型研究热损伤岩石应力–应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的变化主要表现为胶结物变化及矿物相变,矿物内无明显热裂纹发育;热处理花岗岩内热裂纹发育明显,800 ℃处理后最大裂纹宽度可达100 ?m,较400 ℃时增加约1个数量级;大理岩热裂纹以晶界裂纹为主,600 ℃处理后最大裂纹宽度达20 ?m,约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低,但砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好,热损伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。     

岩体弹脆性损伤本构模型及工程应用

应用连续介质损伤力学理论，从岩体内部微裂纹产生和扩展的损伤机理出发，推导出应变空间表示的坚硬岩体的弹性－损伤耦合的各向异性弹脆性损伤本构模型，并给出相应的损伤变量演化方程。根据拉西瓦水电站坝址区花岗岩体的试验结果，及现场原位洞的反分析结果，计算得到岩体的弹脆性损伤本构关系式。     

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。     

基于莫尔–库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究

 岩石类材料的应力–应变曲线关系分为峰值前区和峰值后区2个部分。在岩石应力–应变曲线峰前部分,一般将岩石视为弹性体,在此阶段采用线弹性本构关系;而在峰后部分,由于不能确定岩石的破坏形态和应力的跌落方式,其力学行为难以用经典理论来描述,因此确定岩石峰后模量的变化是研究岩石峰后力学行为的关键。基于莫尔–库仑强度准则,以内摩擦角?作为中间变量,通过理论推导,将峰后弹性模量 表征为应变 的函数,建立峰后岩体力学非线性应力–应变关系。通过数值算例得到大理岩在不同围压下的全应力–应变曲线,其数值计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的非线性本构模型是正确合理的,同时也表明该模型可以较好的描述不同围压下大理岩的峰后力学行为。     

基于Lade-Duncan和SMP两种强度准则的岩石残余应力研究

 首先利用平面强度理论推导出基于Lade-Duncan和SMP两种准则的强度统一表达式,并结合岩石材料峰后应变软化的力学特性,以峰后内摩擦角?为中间变量,用残余应变 ? 来表示峰后非线性弹性模量E,最后建立岩石峰后残余应力的统一非线性本构方程(即峰后本构模型)。结合小官庄铁矿东区典型破裂岩闪长玢石的三轴试验,对该试验结果进行不同围岩下峰后应力–应变关系的模拟计算。结果表明,建立的峰后本构关系能较好地模拟试验结果,从而验证该模型的合理性,为研究岩石峰后力学规律提供新的途径。     

北山花岗岩渗透特性试验研究与细观力学分析

甘肃北山是我国高放废物深地质处置的预选场址,其花岗岩具有完整性及均匀性好、孔隙率及渗透率低等重要特点。采用气体瞬态压力脉冲法测试不同围压下北山花岗岩在三轴压缩过程中的渗透率变化特征。结合花岗岩在偏应力演化过程中微裂纹的萌生、扩展机制以及应力-应变曲线的变化特征分析,采用细观力学方法研究北山花岗岩在三轴压缩过程中渗透率的演化机制。分析结果表明：(1)北山花岗岩的初始渗透率在10-19 m2量级,对应于应力-应变曲线,其渗透率曲线随着偏应力增加总体呈现出下降段、水平段、稳定增长段以及急剧上升段的变化特征;(2)初始微裂纹的压缩闭合可导致试样的渗透率下降约1个数量级,峰前破坏时渗透率的增幅可达2～3个数量级,围压从5 MPa增大至10 MPa可导致渗透率减小1个数量级;(3)细观力学模型的计算值与试验值吻合良好,北山花岗岩试样的宏观力学响应及渗透特性与试样内部微裂纹的细观结构特征及连通性的变化密切相关,岩石渗透率变化和损伤演化具有良好的一致性,且损伤的发育可导致渗透率呈现较弱的各向异性特征。研究成果对于我国高放废物深地质处置工程中围岩的开挖扰动机制、渗透特性演化规律以及处置库系统的性能评价具有重要意义。     

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。     

北山深部花岗岩弹塑性损伤模型研究

 基于力学特性试验和三维声发射监测技术,研究北山花岗岩在压应力条件下的力学行为特征和损伤演化机制,并构建岩石的力学损伤模型。试验结果表明,在低围压条件下岩石主要发生的是脆性破坏;随围压增大,岩石力学行为逐渐向延性转化,表现出剪胀、塑性变形等非线性行为。结合微裂隙产生和扩展规律,对岩石在外力作用下的损伤演化过程和破坏机制进行分析,认为北山花岗岩的破坏及非线性行为是损伤和塑性变形共同作用的结果。基于这一认识,在热动力学框架下提出北山花岗岩准唯象弹塑性损伤模型。模型引入非关联的塑性流动方程,以反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程。基于已有的损伤理论建立损伤演化方程,并通过在塑性屈服面中引入独立损伤变量,建立塑性和损伤发展的耦合关系。数值模拟和试验数据的对比表明,模型可以很好地描述北山花岗岩在不同应力水平下的损伤演化规律和力学行为,特别是随围压增大岩石力学行为从脆性到延性的转化过程以及岩石峰前塑性硬化和峰后应力软化等行为特征。     

北山深部花岗岩不同应力状态下声发射特征研究

采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展北山深部花岗岩不同应力条件下岩石破坏的声发射特征研究。试验得到北山花岗岩的直接拉伸强度为9.53 MPa,仅为其单轴平均抗压强度的1/17。试验结果表明,在拉伸应力条件下,由于无原生微裂隙闭合过程,声发射事件出现时间较晚并集中出现于破坏阶段;峰值应力后,声发射信号的继续增加说明花岗岩并未立刻破断,而仍具有一定拉伸承载能力。在压缩应力条件下,初期加载阶段即有声发射信号出现并随加载应力增加而持续增长,反映原生裂纹闭合及新生裂纹扩展演化的过程;随着围压增加,花岗岩在峰值应力阶段延性变形特征显著增强,其内部裂隙(损伤)在该阶段渐进式发展,导致声发射事件的集聚量远高于其他阶段;同时,围压增加使北山花岗岩的非线性特征增强,特别是破坏前的显著延性变形特征与其他工程常见花岗岩特性具有明显不同。研究得到北山花岗岩在不同应力状态下的变形特征和声发射特征,为北山花岗岩在不同应力条件下损伤演化机制研究奠定基础。     

Physico-mechanical properties of granite after cyclic thermal shock

Understanding rock mechanical behaviors after thermal shock is critically important for practical engineering application.In this context,physico-mechanical properties of Beishan granite,Gansu Province,China after cyclic thermal shock were studied using digital image correlation(DIC),acoustic emission(AE) monitoring,and microscopic observation.The results show that the peak strength and elastic modulus decreased gradually with increase in thermal shock cycle.However,the above two parameters showed no further changes after 10 thermal shock cycles.The loading stress ratio(i.e.the ratio of the current loading stress level to the peak stress in this state) co rresponding to the occurrence of the uneven principal strain field and the local strain concentration zone on the surface of the granite specimen decreased with increase in thermal shock cycle.Three transformation forms of the standard deviation curves of the surface principal strain were found.For granite with fewer thermal shock cycles(e.g.no more than 2 cycles),the standard deviation curves exhibited approximately exponential growth in exponential form.With increase in thermal shock cycle,the S-shaped curve was dominant.After 10 thermal shock cycles,an approximate ladder-shaped curve was observed.It is displayed that AE activity was mainly concentrated around the peak strength zone of the granite specimen when the rock samples underwent fewer thermal shock cycles.With increase in thermal shock cycle,AE activity could occur at low loading stress levels.Microscopic observation further confirmed these scenarios,which showed that more microcracks were induced with increase in thermal shock cycle.The number of induced microcracks at the edge location of the granite specimen was significantly larger than that at the interior location.Finally,a continuum damage model was proposed to describe the damage evolution of the granite specimen after cyclic thermal shock during loading.     

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.     

岩石损伤演化的能量方法研究

 岩石是一种含有初始微缺陷的天然工程材料，其力学性质非常复杂，因此，目前尚无成熟的岩石损伤演化模型。为了解决这个难题，基于各向同性损伤的基本假设，采用最小耗能原理，以应变等效原理为前提，提出一种从能量角度进行描述的岩石损伤演变模型。最后，通过分析花岗岩从细观损伤到宏观破坏的整个试验过程，得到基于能量原理的花岗岩损伤演变方程，并将其与经典的Marzars损伤理论进行对比研究，发现基于能量原理的损伤演变方程能更合理地描述岩石的损伤发展过程，且与试验得到的岩石破坏过程更加吻合。     

动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析

阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。分析认为，岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关，而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的，且反映静水胜力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响，并以机械模型为基础，求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。同时，根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型，建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型，进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。最后，采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服摔制材料试验机卜进行了红砂岩中心变率下的动静组合加载破坏试验，对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。结果表明，理论模型与试验结果有较好的一致性。     

Micromechanical modelling of the mechanical properties of a granite under dynamic uniaxial compressive loads

A micromechanics-based model is used to study the mechanical properties of a granite under dynamic uniaxial compressive loads. The model is based on interacting sliding cracks uniformly distributed in the rock material. A dynamic crack growth criterion, which is related to crack growth velocity and dynamic fracture toughness of the rock material, is employed in the analysis. Under dynamic loads at strain rates from 10⁻⁴ to 10⁰ s⁻¹, the crack growth velocity is small compared to the critical crack growth velocity and the effect can be ignored. The strengths of the granite obtained by micromechanical modelling agree with the experimental results. A constitutive relation of the granite is derived from the energy equilibrium equation and correlated with the experimental results.     

不同温度及应力状态下北山花岗岩蠕变特征研究

 基于不同温度及应力状态下的蠕变特性试验,结合三维声发射实时监测信息,开展北山花岗岩的蠕变变形特性以及加载条件(温度、围压和应力状态)对其蠕变破坏过程的影响研究。试验结果表明,北山花岗岩的蠕变破坏包括初始蠕变阶段(瞬态蠕变)、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段,在加速蠕变过程中裂纹迅速扩展和积聚是导致岩石最终破坏的主要原因。蠕变试验过程中,声发射累计数和岩石蠕变体积应变的演化趋势整体上具有一致性,但声发射信号对岩石变形破坏的敏感性更强。对试验数据综合对比分析显示,花岗岩蠕变破坏变形受围压的影响显著,围压越高,岩石蠕变破坏前所能承受的变形越大。温度和应力水平对蠕变破坏变形影响并不明显,但可以对蠕变速率造成影响,进而改变岩石的蠕变破坏时间。根据试验结果,在围压2,10,30 MPa条件下,北山花岗岩的蠕变破坏轴向应变平均值分别为0.34%,0.54%和0.71%。     

Numerical simulations of rock mass damage induced by underground explosion

The damage prediction of rock mass under blast loads induced by accidental explosions, rock bursts or weapon attacks is crucial in rock engineering. In this paper, parametric studies are conducted to evaluate the effect of loading density, rock mass rating (RMR) and weight of charge on the rock mass damage induced by underground explosions. The numerical simulations are carried out based on the transient dynamic finite element program ANSYS-LSDYNA. The numerical model was calibrated against the data obtained from a field blast test. A fully coupled numerical analysis, incorporating the explosion process, has been performed, where the large deformation zone near the charge is solved by the Arbitrary Lagrange–Euler (ALE) method. The deformable modulus and compressive strength of rock mass of granite are estimated by the RMR system. The peak particle velocity (PPV) damage criterion and the plastic strain criterion were adopted to study the damage zone around the charge hole, and an empirical formula considering the effects of loading density, RMR and weight of charge was obtained to estimate the damage zone in granite based on the numerical results.