非均匀性岩石破坏过程的三维损伤软化模型与数值模拟

通过建立岩石三维细观损伤软化力学模型,结合统计技术考虑岩石细观非均匀性,编制了岩石破裂过程分析软件RFPA3D,模拟了单轴压缩下不同细观残余强度下的三维应力场变形场分布以及破坏形态,分析了细观结构非均匀性和残余强度对岩石损伤软化过程和宏观力学性能的影响。结果表明,岩石损伤破裂过程中应力–应变关系、残余变形特征和峰值强度不仅与结构相关,而且与细观损伤软化模型、细观非均匀性和残余强度紧密相关。     

基于数字图像的岩石非均匀性表征技术在流固耦合分析中的应用

岩石的非均匀性对于其破裂及渗流过程具有显著的影响。本文提出了用数字图像处理技术表征岩石非均匀性的基本方法,并通过把该技术实施到岩石破裂过程分析程序RFPA中,来模拟非均匀岩石在外载荷和渗流耦合作用下发生破裂的整个过程。结果表明,基于数字图像的技术是表征岩石细观非均匀性的一种有效方法,为研究非均匀性对于岩石破裂过程及渗流特性的影响提供了一个重要的手段。     

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

岩石介质细观非均匀性对宏观破裂过程的影响

运用岩石破裂过程分析系统 ,研究了岩石介质非均匀性对宏观力学行为的影响。通过对均质度系数m =1.5的 10个样本破裂过程的模拟 ,发现样本的宏观力学行为在变形初期只有微弱的统计涨落 ,但在失稳阶段表现出显著的样本个性行为。对 8种不同均质度系数的 80个样本破裂过程的模拟结果表明 ,岩石介质的非均匀性对岩样宏观强度和变形非线性行为有显著影响 ,而且也显著影响试样破裂模式。随着均质度系数的提高 ,宏观强度呈现指数规律上升 ,宏观变形的线性规律增强 ,主破裂呈脆断模式。     

基于矿物晶体模型非均质岩石单轴压缩力学特性研究

为研究岩石微观结构非均质性对宏观力学特性及裂纹扩展规律的影响,结合花岗岩室内单轴试验及矿物晶体模型(Grain-based model, GBM)对岩石的微观矿物结构进行离散元建模,研究了非均质岩石宏观应力-应变曲线、声发射及晶体尺度裂纹扩展规律。通过改变岩石微观结构进一步研究了不同矿物组成条件下岩石宏观力学特性及其变化原因。结果表明:GBM可在考虑岩石微结构及强度非均质的条件下,有效模拟岩石加载过程中宏观及微观力学特性;加载初期,岩石内部晶体尺度裂纹首先以晶间裂纹为主,随后转变为以晶内裂纹为主,且裂纹破坏主要为拉伸破坏,岩石破坏时拉伸裂纹及晶内裂纹与总裂纹占比分别约为93.87%,60.95%;加载过程中,岩石微裂纹首先随机分布在岩石内部,后开始聚集并造成宏观破裂面的出现,且宏观破裂面的形成主要与矿物晶体内裂纹的扩展及聚合有关;随岩石内长石矿物含量的增加,岩石峰值应力与损伤应力整体呈增加的变化趋势,且该变化规律可能与长石矿物内裂纹数增加及云母矿物内裂纹数减小有关;通过矿物晶体模型对岩石微观结构进行模拟并对非均质性所造成的力学特性变化进行微观尺度解释,有利于更好理解岩石非均质性与宏观力学特性的关系。     

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。     

基于数字图像的岩石非均匀性表征技术及初步应用

依据数字图像处理理论,研发出一种基于数字图像的岩石非均匀性表征技术。该技术描述的非均匀性更接近于岩石的真实非均匀性,并将其映射到有限元网格中,与原有的岩石破裂过程分析系统（RFPA）相结合,建立一种更能准确反映岩石细观结构的数值模型,从而弥补传统数值方法所采用统计理论表征岩石非均匀特性的不足。通过对2种常规试验（单轴压缩和单轴直接拉伸）的数值模拟,再现花岗岩试件在荷载作用下的真实破裂过程。数值模拟结果表明：岩石的细观结构对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响。该方法为进一步研究岩石、混凝土等非均质材料的力学特性和破坏机制提供一种新的手段。     

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

基于经纬分析法研究热损伤岩石的非均匀性和各向异性

通过对岩石进行500℃高温的热处理,使岩石内部产生大量细观裂隙。采用电镜扫描观察热破裂岩石内部的细观裂隙分布并对细观裂隙进行重构,提出一种经纬分析法研究热破裂岩石细观裂隙的非均匀性和各向异性,并且确定了经纬分析法的最优网格间距。结果表明:网格间距显著影响热损伤岩石非均匀性分析结果的准确性,网格间距越小,准确性越趋于稳定。当网格间距为200μm时,既能保证非均匀性分析结果可信,又能提高分析效率。与此相对,网格间距对热损伤岩石各向异性分析结果的准确性不产生明显影响。通过对比分析,对于500℃高温热损伤花岗岩,采用200μm的网格间距最为经济合理。     

非均匀岩石破裂过程渗透率演化规律研究

应用自主开发的数值模拟系统，通过数值试验，很好地描述了岩石破坏损伤演化过程中渗流场变化规律，包括岩石在应力．应变曲线不同阶段的渗透率演化规律、非均匀性对渗流场分布和渗透率的影响。结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及其破裂机制的影响十分明显。     

岩石损伤破坏过程中分形与逾渗演化特征

通过细观非均匀单元破坏事件的累积来反映岩石宏观上的逐渐损伤,而通过分析破坏单元的三维空间位置来建立岩石破坏过程中的分形和逾渗模型,并采用RFPA3D软件来模拟不同随机分布的岩石在单轴加载条件下的破裂过程,研究岩石在逐渐损伤破裂过程中的微破裂的分形与逾渗演化特征。微破裂的分形和逾渗特征反映了岩石的非均匀程度,岩石损伤破裂分形维数随着均质度和单轴抗压强度的增加而变小。逾渗分析也表明,在非均匀程度较高的岩石中破坏单元分布更为弥散。当外加载荷逐渐增加时,破裂集团和分形维数都表现出逐渐增加的趋势,但外载达到临界值时,应力突然下降的同时伴随着破裂单元急剧增多、破裂集团合并减少以及微破裂、分形维数增加等突变行为。模拟结果表明,岩石破裂过程中的分形和逾渗变化的规律性并不是偶然的,不同层次(不同尺寸)的岩石材料其力学行为具有的自相似性才是问题的本质。     

非均匀性岩石破裂的网格效应

主要在考虑岩石介质非均匀性的基础上。研究岩石破裂过程中的网格尺寸效应。首先，介绍RFPA软件中网格划分特点和裂纹扩展处理方法，讨论非均匀性对预制裂纹扩展的影响；然后，模拟两组结构相同但网格数目和尺寸不同的岩石材料的破裂过程。分析在非均匀性岩石中单元尺寸对于岩石破裂过程的影响。结果表明，在均质度较高的岩石试件中，岩石强度相对高，并且裂纹扩展表现出很强的脆性：随着网格数目的增加和网格尺寸的减小，岩石强度逐渐降低，并且趋向一个稳定值。考虑到岩石的非均匀性后的破坏过程分析必额考虑由破坏0f起的应力重新分布，且单元尺寸满足一定的细观特征尺度后，才能保持破裂分析的稳定性和可靠性，体现破裂过程分析和应力场和位移场分析的不同之处。在均匀条件假设下，网格的尺寸主要和结构特征相关，但是在非均匀介质中，网格的尺寸还与材料的非均匀性和细观特征尺度密切相关。     

基于细观力学的脆性岩石长期蠕变失效研究

蠕变特性是评价岩石长期失效特性的重要依据。基于岩石细观力学模型及裂纹扩展法则,结合细观裂纹长度与宏观应变定义损伤之间的联系,建立细观裂纹扩展与宏观应变之间的关系,并给出岩石的应力–应变关系及三级蠕变演化表达式。研究岩石渐进失效过程中不同围压下的应力–应变关系,并分析分级加载下的蠕变演化规律,其结果与试验结果吻合较好,验证了提出的细观模型的合理性。然后,对不同常应力状态下的蠕变失效时间与稳态蠕变率进行研究,其结果对高地应力下地下支护结构的设计及服役寿命的评估具有重要指导意义。     

基于晶粒织构模型的花岗岩矿物晶粒形状及朝向对其力学特性影响研究

花岗岩及其他粒状结晶质岩石由于其组成的矿物形状、矿物朝向和矿物成分等细观结构的影响,表现出不连续、非均匀及各向异性等非均质特性。但现有的数值方法还不能够定量研究矿物晶粒形状及朝向的影响,为了探究矿物晶粒的形状及朝向等非均质性对岩石力学性质的影响,基于颗粒离散元法提出晶粒织构模型(GTM),其通过生成代表真实矿物晶粒的随机不规则椭圆形柔性晶粒簇(Cluster),能够定量分析矿物晶粒形状及朝向的影响并再现岩石矿物晶粒内部和晶界损伤演变的动态过程。通过与室内试验结果进行对比,经过细观参数标定后的GTM模型能够很好地模拟出LdB花岗岩在不同力学条件下的宏观力学特性及破坏特征。通过构建不同晶粒纵横比及旋转角度的GTM模型研究矿物晶粒形状及朝向的影响,发现晶粒的形状及朝向的改变会导致晶内及晶界接触比例及接触整体朝向的变化,进而影响到岩石的宏观力学特性及破坏特征。GTM模型能够更加全面真实地从岩石的细观结构角度探究岩石的力学特性与破坏机制,对于揭示岩石细观非均质性对宏观力学特性及晶内、晶界裂纹扩展的影响提供了有效的方法和手段。     

砂质泥岩三轴卸荷蠕变试验研究

为了揭示深部软弱地层开挖卸荷后围岩流变力学特性,开展砂质泥岩恒轴压逐级卸围压三轴卸荷蠕变试验,研究软岩轴向、侧向和体积蠕变规律和卸荷流变过程中偏应力–应变关系特性。主要结论有:(1)每卸除一级应力(10 MPa)产生的瞬时变形、蠕变变形、蠕变变形相对该级荷载下的瞬时变形的比值、蠕变变形占总变形量百分比均随偏应力的增加而增大,围压越低蠕变变形增加的幅度越大;(2)随着围压逐级卸荷,岩石内部产生竖向张性微裂纹,微裂纹的萌生和扩展使得卸围压瞬时产生较明显的侧向变形,且蠕变过程中微裂纹将发生与应力水平相应的时效扩展,产生黏塑性变形;(3)岩石在时效条件下的渐进破坏的本质是损伤随时间的逐渐累积,并伴随着裂纹的时效扩展,统称为时效损伤破裂;(4)随着围压逐级卸荷,偏应力增大,历史上经历的卸荷级数多、蠕变时间长,试样内部积累的不可恢复应变和损伤越多,时效损伤破裂越剧烈,在该级荷载条件下轴压低的试样其流变速率越大,蠕变变形量越大,卸荷效应和流变特征更加明显,同时伴随显著的侧向扩容,导致蠕变扩容;(5)卸荷和蠕变所产生的损伤和塑性变形对后续力学行为影响非常显著。     

动载荷条件下波长对岩石试件破坏模式影响的数值模拟

简单运用岩石破裂过程分析RFPA系统研究了均匀与非均匀岩石试样杆在不同波长冲击载荷作用下的剥落过程。数值模拟较好地再现了均匀岩石试样杆在不同应力波波长条件下的不同破坏模式,且数值模拟结果与解析理论结果具有较好的一致性。并在此基础上,进一步研究了非均匀性岩石试样杆在不同波长的冲击载荷作用下的剥落形式及其与均匀岩石试样杆破坏模式的差异。结论表明:RFPA程序能够较好地模拟均匀与非均匀杆在不同应力波波长作用下发生剥落破裂的过程;试件破坏模式不仅与断裂的强度有关,还与作用在试件上的持续时间有关;试件的破裂不仅与应力波的峰值以及波长有关,而且还与岩石的非均匀性密切相关。     

基于变参数的含水岩石弱化流变模型研究

基于不同含水率的岩石蠕变试验,分别考虑岩石时效劣化效应和含水弱化效应,分析不同应力状态下和不同含水率状态下的蠕变曲线。根据试验蠕变曲线得到岩石弹性模量随时间和含水率的变化关系,拟合得到岩石的时间衰减指数和含水衰减指数。在假设岩石时效损伤和含水损伤为各向同性损伤的基础上建立了岩石时效蠕变损伤模型,并对不同含水率下的岩石蠕变损伤开展了数值模拟研究。数值模拟结果同岩石蠕变试验曲线很好地相吻合,模拟结果表明了该蠕变损伤模型的合理性。本文所开展的岩石时效劣化和含水弱化蠕变损伤模型的研究工作,将为岩石流变特性的研究提供一定的理论依据。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

基于统计损伤原理的岩石加速蠕变模型研究

针对现有蠕变理论模型无法较好地描述岩石黏塑性阶段的加速蠕变特性及如何确定岩石加速蠕变阶段的启动条件等问题,对取自阜新恒大煤矿深部围岩开展了室内三轴蠕变试验,分析了岩石在蠕变变形规律。为了使建立的模型不仅较好地描述岩石蠕变特性,也可以较好与经典蠕变曲线各阶段相对应,通过经典的蠕变变形示意定义了各个分段临界点的指标,进而建立了一种考虑加速蠕变变形的新型岩石黏弹塑性蠕变模型。结果表明:在考虑岩土类内部缺陷发育的基础上,采用统计损伤理论来构建岩石加速蠕变模型,使得试验曲线也与模型曲线具有良好的吻合度,说明了基于统计损伤原理建立的岩石加速蠕变模型,来反映岩石蠕变全过程曲线是正确的;这也证明了采用统计损伤变量和经典蠕变曲线定义的临界点指标的正确性。岩石蠕变加载过程也是一种岩石内部微元体损伤破坏的过程,在材料微观结构上表现为不可逆性。通过将蠕变曲线分阶段,来定义分段临界点的损伤变量的表达形式,结合统计损伤理论和Perzyna黏塑性模型,对传统的西原体模型进行适当的改进,建立非线性蠕变损伤模型,从而更好地体现了损伤受岩石内部应力应变状态影响和损伤演化规律。     

破裂砂岩蠕变试验研究

 为了认识破裂砂岩蠕变特征,利用MTS815岩石力学试验系统,对永川煤矿T3xj6砂岩进行一系列加载水平的峰后蠕变试验,并用改进的西原模型描述破裂(峰后)砂岩蠕变全过程。试验结果表明,破裂砂岩失稳蠕变过程与煤岩一般的蠕变规律相似;破裂砂岩也存在长期强度,其值可根据岩石加载过程中的应力–应变关系通过理论分析的方法得出;破裂砂岩蠕变全过程可用改进的西原模型描述,对加载应力大于Sh(破裂砂岩的长期强度)的情况,模型的参数可用最小二乘法求得;影响破裂砂岩蠕变成功进行的因素是岩样的均质性、加载控制和岩样移送三轴压力室前密封的可靠性。研究结论对揭示地下工程灾害发生的时滞性、确定掘进巷道围岩支护参数等有重要的参考意义。