考虑温度损伤的复合岩石本构关系研究

:为研究岩石在温度作用后的物理特性、力学性质及损伤变化,对 复 合 岩 石 试 样 进 行 温 度 处 理,设 置 常 温、６０℃、０℃、１２０℃、１５０℃、１８０℃ ６个温度梯度,对温度作用后的复合岩石进行单轴压缩试验.使用 Weibull分布函数建立温度作用后复合岩石的统计损伤本构模型,以文献理论曲线和单 轴 压 缩 结 果 加 以 验 证,基 于 数 字 图 像 相 关 法 (DigitalImageCorrelation,DIC)建立本构模型,改进后的本构模型对岩石峰后阶段破坏特征的描述更加准确.所建立的温度作用后复合岩石损伤模型理论曲线与文献理论曲线较为吻合,模型曲线 与 单 轴 试 验 结 果 表 现 出 较 高 的 相 似 度,使 用DIC改进的本构模型可以较好地表征复合岩石各破坏阶段     

煤质页岩压缩变形特性及损伤破坏辨识试验研究

为了探索煤质页岩的压缩变形及损伤破坏特性,利用MTS岩石材料力学试验机,得到了煤质页岩的单轴和三轴压缩试验曲线,研究了单轴三轴压缩全过程中页岩损伤软化特征的异同;在此基础上,研究分析了页岩压缩过程中外力功、能量耗散以及能量释放机理,结合页岩特性和岩石强度破坏理论,建立了基于能量原理的页岩损伤演化本构方程:①单轴应力状态下,页岩损伤全过程可用能量原理损伤本构方程模拟;②三轴应力状态下,当轴向应力小于围压时,页岩本构关系可近似用线性方程模拟;当轴向应力大于围压时,应用基于能量原理损伤本构方程进行模拟.模型与试验结果对比分析显示,所建的模型力学参数简单,物理参数意义明确,能充分描述页岩单轴应变软化及三轴应变硬化阶段变形特征.     

人工冻结中砂岩尺寸特性力学性质的分析

基于最弱链模型和Weibull分布假设,采用损伤理论,建立了冻结状态下单轴压缩中砂岩损伤统计本构模型。然后采用WDT-100冻土试验机对不同体积中砂岩试样进行单轴压缩试验,分析了试验结果和冻结中砂岩力学参数和体积间的关系,得到了考虑体积因素的冻结中砂岩损伤统计本构模型参数。最后将其他体积冻结中砂岩试样的理论曲线与试验结果进行对比,两者吻合较好,显示了所建模型的合理性。     

高温环境下大理岩热损伤特性的试验研究

采用MTS 810电液伺服材料试验系统对常温~800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力-应变曲线、峰值应力、弹性模量等量的变化特征.结果表明:随受热温度升高大理岩的峰值强度和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,800℃时大理岩的延性明显增强.基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与温度之间的非线性关系,建立了单轴压缩下的大理岩损伤统计本构模型,给出了考虑温度效应大理岩损伤统计本构模型参数.通过与高温状态下单轴压缩实验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了温度对大理岩损伤特性的演化规律.     

非均质岩石单轴压缩试验破坏过程细观模拟及分形特性

为了细观模拟非均质岩石试样单轴压缩试验的破坏过程,提出了一种新的有限元数值模拟方法。该方法以莫尔-库仑破坏准则为基础,将岩石视为非均质和准脆性材料,并假定岩石单元的抗剪强度参数服从正态分布。有限元细观模拟结果表明,岩样非均质性对本构关系曲线形状有显著影响,模拟的应力-应变曲线与试验曲线基本吻合。基于分形几何理论,采用计盒维数方法计算单轴压缩试验不同荷载条件下的岩石破坏分形维数,建立了分形维数与顶部位移之间的非线性演化模型。分形分析研究表明,岩石试样的破坏过程具有分形特性,分形维数可用来定量地表征单轴压缩试验岩样破坏过程。     

含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究

为研究分析在高地应力条件下,含水率对泥质粉砂岩损伤劣化和变形破坏规律的影响,据此在15、25和35 MPa的高围压下,通过对干燥、二种自然含水、自然饱水和强制饱水5种不同含水状态的泥质粉砂岩进行三轴压缩试验,研究岩石受到水岩作用对岩石强度、变形特性及其损伤、破坏的影响。研究结果表明:随着含水率的增大泥质粉砂岩的强度、变形特性和破坏模式等损伤劣化规律明显;基于Weibull分布,利用峰值强度和弹性模量,结合含水率与岩石损伤本构模型参数之间的关系,从而建立了可以反映多条试验曲线的统计损伤本构模型。所建立的统计损伤本构模型与试验曲线大致相吻合,可以较好地反映高应力下条件下水岩作用下岩石的水化损伤破坏。     

岩石损伤统计本构模型及其参数确定的研究

利用连续损伤理论和统计强度理论,建立了完整模拟岩石破裂全过程的损伤统计本构模型。在所建立的损伤统计本构模型的基本方程中,引入岩石应力应变全过程曲线特征参量,并考虑岩石应力应变全过程曲线的几何条件,解决了传统方法求解本构方程中参数的难点,同时提高了精度。基于取自某边坡工程的砂岩所进行的三轴压缩试验实测结果,对所建立的岩石损伤统计本构模型进行了验证,验证了所建的模型是合理的。     

不同温度作用后灰岩声发射特征研究

研究灰岩在不同温度作用后进行单轴压缩时的声发射特征。通过试验得到灰岩破坏全过程中应力-声发射数量曲线。试验结果表明:声发射现象能很好地表现岩石单轴压缩的过程;高温下,灰岩的力学性质与岩石所含矿物质含量有密切关系。     

考虑空隙影响的岩石统计损伤模型研究

为得到岩石在不同围压作用下变形特性以及岩石空隙对变形损伤的影响,采用TAW-2000岩石试验系统对砂岩进行室内三轴压缩试验;构建考虑岩石空隙损伤的三轴压缩统计损伤模型,以及提出确定分布参数和空隙损伤影响系数的方法,通过模型曲线和试验曲线对比,验证建立损伤模型的正确性与合理性。结果表明：该模型对传统破坏模型引入空隙损伤影响系数可以较好地描述损伤演化,并能反映出三轴压缩试验曲线的软化特性。该模型对传统破坏模型引入空隙损伤影响系数可以较好地描述损伤演化,并能反映出三轴压缩试验曲线的软化特性。岩石在同一围压作用下的损伤变量的变化规律都是呈现出先增大后趋于稳定的趋势,这是由于岩石在荷载作用下内部原生裂隙会进一步发展、扩散,直至贯通为宏观裂缝,导致岩石发生变形破坏,后续试验岩石试样沿着破裂面滑移,最终使得岩石的损伤程度逐渐加剧。由拟合结果可知,建立的统计损伤模型可较好地反应岩石的变形特性,也可较为真实反映巷道围岩的变形情况,对实际工程中巷道围岩-支护体的设计具有指导意义,但是实际工程中围岩所受的三向应力大小各不相同,鉴于试验条件约束无法实现,故需要在以后研究中对岩石做真三轴试验,才能更好地反映实际...     

钽铌矿尾砂胶结充填体力学特性及损伤规律研究

为了研究钽铌矿尾砂胶结充填体物理力学特性与损伤演化规律,在RMT-150C岩石力学试验系统上分别对3组不同质量分数(68%,72%,76%)的钽铌矿尾砂胶结充填体试件进行了单轴压缩和劈裂破坏力学试验;获取充填体试件各种力学参数,得到了充填体试件应力-应变关系曲线,详细分析了充填体试件整个试验过程的破坏机理,推导并构建了3组不同质量分数的充填体试件损伤本构方程和损伤演化方程。试验结果表明:充填体试件质量分数越大,拉压强度和弹性模量越大,而泊松比却越小;不同质量分数的充填体试件在峰值应力时,其损伤程度不同,质量分数越大,损伤越大;在峰值应力前,充填体试件损伤扩展较为缓慢;峰值应力后,质量分数越小,损伤扩展越快。基于应变等价原理建立的尾砂胶结充填体单轴压缩状态下的损伤本构方程与损伤演化方程能够较好地描述充填体试件的损伤演化规律和破坏过程,且由本构模型建立的理论曲线与通过试验拟合得到的曲线吻合度较好。研究结果对钽铌矿尾砂充填采空区确保矿山安全生产具有一定的工程指导意义。     

三维应力状态下岩石损伤破坏的卸荷效应

利用连续介质损伤力学方法，通过岩石微元体强度的Weibull统计分布和库仑准则假定，建立了一个简明的岩石三维各向同性损伤模型及弹脆性本构方程。探讨了岩石试样试验的应力-应变全过程特征、损伤演化规律、岩石试样加载的围压效应以及卸荷破坏下强度及脆化特征，理论与试验结果表明，卸载破坏比加载破坏表现得更为脆性、更突然。     

基于Weibull分布的岩石损伤本构模型研究

利用连续损伤理论和统计强度理论，提出了模拟岩石破裂全过程的损伤本构关系，并在此基础上建立了完整的损伤统计本构模型，且在所建立的损伤统计本构模型的四个基本方程中，引入岩石应力应变全过程曲线特征参量，并考虑岩石应力应变全过程曲线的几何条件，解决了传统方法求解本构方程中参数的难点，同时提高了精度．通过与砂岩试件三轴压缩试验实测结果对比，证明模型可以很好地反映岩石的应力-应变关系．图2，参7．     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

温度冲击下煤的双胡克体-统计损伤本构模型研究

为研究温度冲击作用下煤体破坏特性,利用SLX-80高低温处理系统对取自赵固二矿的煤样进行了不同温度冲击,用RLW-500G煤岩三轴压缩试验系统对不同温度冲击的煤进行了三轴压缩试验,分析了煤在温度冲击条件下的力学特征。实验结果表明随温度梯度的增大,煤的弹性模量和三轴抗压强度近似呈线性降低。基于煤岩强度服从Weibull分布的假设和煤岩强度应变理论,利用损伤力学理论,引入热损伤变量,建立了温度冲击下煤的双胡克体-统计损伤本构模型,给出了模型参数的详细计算方法,结合实验数据对该模型进行了理论验证。分析表明,双胡克体-统计损伤本构模型结构简单,引入参数少,物理意义清晰,且考虑了温度效应,能够有效地描述温度冲击下煤体破坏全过程的力学性质。     

微孔洞缺陷岩石轴压下弹塑脆性模型损伤研究

开展孔洞缺陷介质破坏行为的研究,是当今固体力学特别是岩石力学研究的重要课题之一,具有重要的学术和工程意义。采用细观单元的弹塑脆性损伤本构,考虑材料的非均质特性,对不同均质度、不同试样尺寸孔洞缺陷建立了基于细观力学的岩石弹塑脆性损伤模型,研究了岩石在单轴压缩荷载下的细观弹塑性损伤破坏行为,通过将有限元计算结果与物理实验对比,分析孔洞缺陷介质破坏行为,得出试样尺寸和均质度对岩石损伤影响的一般规律。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

基于FLAC3D的层状岩石强度特征研究

利用单元切割法确定节理单元并赋予相应的本构模型进行计算,研究单轴与不同围压条件下的不同节理倾角层状岩石的力学特性。结果表明,无论是单轴压缩试验还是三轴压缩试验,节理对岩石强度的影响都很显著; 随着节理倾角增加,层状岩石单轴抗压强度先减小后增大,呈U型分布,在层理倾角呈60°时,抗压强度值最低; 从塑性单元个数可以看出,层理倾角0°~30°以及90°时,岩石以突然破坏为主,而层理倾角45°~75°时岩石破坏较缓慢; 随着围压增加,岩石抗压强度增加,岩石破坏时间延后,弹性段增长。研究结果可为岩石、岩体的各向异性问题的研究提供参考。     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

科卡金矿边坡岩石力学试验

通过岩石单轴压缩试验,获得岩石的基本力学性质指标,分析岩石的破坏形式,利用声发射装置探讨岩石试件在压缩过程中内部能量的变化及破坏过程。结果显示,边坡岩石属于硬质岩,在外荷载达到抗压强度时,瞬间发生破坏,破坏后岩石呈碎块状,表明该岩石破坏类型为脆性破坏。     

不同温度循环作用后大理岩细观损伤特征的定量研究

通过单轴压缩试验和细观损伤特征量化试验,对经历20、100、300、450、600 ℃五种温度循环后的四川锦屏大理岩试样的宏观力学性质及相应的细观损伤特征进行了研究。试验结果表明:① 经历不同温度循环的大理岩单轴压缩破坏试样的细观尺度微裂纹主要由沿晶裂纹、穿晶裂纹及晶内裂纹组成,且裂纹相应的基本几何信息服从广义极限统计分布特征;② 由于试样中的沿晶裂纹和穿晶裂纹的100 ℃温度阈值特征,致使宏观尺度的大理岩试样在温度100 ℃前后表现出不同力学性质;③ 沿晶裂纹是在经历温度循环后大理岩试样单轴压缩破坏中起主导作用的微裂纹,穿晶裂纹有一定贡献,而晶内裂纹并未发挥显著作用。