基于统一强度理论的岩石三维损伤模型及其验证

本文基于岩石损伤、断裂演化的阶段性特征,将岩石应力-应变曲线分为两个阶段,第一阶段依次包括:Ⅰ-无损伤弹性、Ⅱ-微裂纹演化和Ⅲ-宏观裂纹成核三个内部损伤过程,曲线跨越峰值点;第二阶段包括:Ⅳ-宏观裂纹扩展和Ⅴ-摩擦滑动。鉴于此,提出两种不同类型的曲线拟合单轴应力-应变曲线并建立一维损伤模型。在复杂应力状态下,采用统一强度理论构造复杂应力等效应变,从而将一维损伤模型推广为三维损伤模型的统一框架。该模型参数直接取值单轴应力应变曲线,可表现岩石峰值后演化的重要特征如应力跌落、残余强度等。大量实验数据验证表明,模型曲线与实验曲线符合较好。模型可推广于岩土材料、金属的非线性描述。     

类岩石材料的弹性损伤-渗流耦合模型研究

为了研究类岩石材料在全应力应变过程中渗透系数的变化规律,一方面,在Mazars模型的基础上,引入断裂能来修正损伤演化准则,提出一种改进的弹性损伤模型;另一方面,通过将细观裂纹等效为连续的损伤带,来建立裂纹扩展阶段的渗透系数-损伤演化模型,并将孔隙压密阶段和裂纹扩展阶段的渗透系数变化公式统一起来。将改进的弹性损伤模型和渗透系数变化模型进行数值实验,实验结果表明,改进的弹性损伤模型的应力应变曲线和室内实验结果吻合,渗透系数曲线也能反映出全应力应变过程中渗透系数变化的不同阶段,而且模型简单,方便数值计算程序的开发,对类岩石材料的全应力应变过程中的渗透特性研究有一定的参考意义。     

干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩损伤演化及本构模型研究

干湿循环和动载耦合作用会导致煤矿岩石物理力学性质的劣化,引起地下岩体工程结构的破坏,诱发煤矿地下工程地质灾害和工程事故。基于纵波波速变化和Weibull分布统计损伤理论,推导了干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩的损伤演化方程,探讨了动弹性模量取值方法对损伤演化的影响,发现以动态应力-应变曲线30%与70%峰值应力连线的斜率作为动弹性模量更能反映出本次试验砂岩的损伤演化规律。在此基础上,分析了干湿循环次数对总损伤变量和总损伤率演化的影响,得出干湿循环与动载耦合作用后砂岩的总损伤变量随着干湿循环次数的增加而增大,总损伤率随应变增长先增加后减小;建立了干湿循环和动载耦合作用下砂岩的动态本构模型并对其进行了验证,以期为深部地下岩体工程稳定性分析提供依据。     

冻融循环下考虑塑性损伤演化的饱和岩石本构模型

针对冻融循环下饱和岩石,提出冻融损伤与岩石基质受载塑性损伤耦合的损伤变量计算方法。之后基于修正Drucker-Prager帽盖屈服准则,推导出考虑岩石基质塑性损伤演化的本构模型,而后考虑冻融对岩石力学性能的劣化作用,建立了冻融循环下考虑塑性损伤演化的饱和岩石本构模型。最后采用冻融循环下花岗岩单轴压缩实验结果对所提模型进行了验证。结果表明：(1)冻融循环会造成岩石的初始损伤,且初始损伤随冻融循环次数的增大而增大;(2)岩石基质受载损伤与冻融损伤两者耦合,会增大试件的损伤程度,进而加速岩石力学参数的劣化;(3)模型预测岩石单轴抗压强度随冻融循环次数的增大而降低,理论值与实验值吻合良好,证明了该模型的有效性。     

循环加卸载下大理岩损伤与能量演化特征

基于常规三轴循环加卸载压缩试验,分析了大理岩压缩变形过程中的变形特征、能量耗散及损伤演化规律。基于试验结果进行了大理岩弹塑性应变分离,试验结果表明随着轴向偏应力的增加,大理岩轴向弹性应变近似呈线性增加,而侧向弹性应变呈非线性增长。基于变泊松比的假定,建立了大理岩非线性弹性应力-应变本构关系,并据此分离辨识得到大理岩轴向和侧向塑性应变。采用等效应变理论,定义了大理岩损伤变量D,相应得到了大理岩三轴压缩变形破坏过程中的损伤演化特征,根据岩石损伤演化曲线可将大理岩三轴压缩变形过程分为3个阶段;分析了大理岩三轴压缩变形过程中的应变能特征,计算得到了大理岩压缩变形过程中的弹性应变能及耗散能,结果表明大理岩岩体单元耗散能与损伤变量增量ΔD之间呈较好的线性关系,二者均可用于描述大理岩压缩变形过程中的损伤破坏特征。     

基于正态分布修正的岩石损伤力学模型研究

深入探讨了岩体变形损伤机制,从岩体损伤的过程出发,认为损伤部分可分为损伤材料和因材料损伤而变化的微缺陷,在此基础上提出新的损伤定义。通过岩体微观受力分析建立了岩体损伤模型,深入研究了岩体有效应力与名义应力的关系,引进统计损伤理论,以岩石微元强度服从正态分布确定岩石统计损伤演化方程。该模型能够充分反映岩体的应变软化特性和应变硬化特性,且参数物理意义明确;与实测结果及前人研究成果进行比较分析,说明模型合理、可行。     

地震荷载作用下大坝系统的非线性动力损伤分析

本文在连续损伤力学理论基础上，把非线性动力损伤的概念引入岩石类介质的本构模型，分别提出岩石类材料的脆性动力损伤和粘弹塑性动力损伤破坏模型。同时，将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入Mohr-Coulomb破坏准则，用于分析在渗流压力、损伤发展、孔隙率演化和动应力共同作用下堤坝及岩基系统的非线性地震动力损伤，建立了相应的二维有限元动力损伤数值分析模型，并应用于地震荷载作用下的龙滩混凝土重力坝及其岩基的破坏过程分析，分析结果可作为大坝的安全性评估的依据。     

考虑残余强度和阈值影响的岩石弹性损伤统计模型

基于统计学理论和损伤理论,考虑岩石的残余强度和损伤阈值影响,建立了三轴压缩条件下岩石损伤统计模型。以损伤模型为基础,利用岩石在低围压作用下应力应变的极值特性,导出了模型参数的统一求解方法。通过与试验数据的对比和验证发现:以Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则计算岩石微元强度比以轴向应变函数计算岩石微元强度能更好地反映岩石的力学特性,说明了岩石的破坏进程与其应力状态密切相关;为考虑残余强度,引入损伤变量修正系数,在此基础上提出一种求解该修正系数的新方法,从而使得模型得出的理论曲线能很好地接近试验数据;以屈服点的微元强度为损伤阈值点,避免了损伤系数在低荷载下不在[0,1]之间的情况。最后通过分析岩石损伤变量的变化过程,证明了该模型可以很好地反映三轴受压状态下岩石的应力-应变关系。     

高温岩石热损伤力学性能研究进展

为了深入了解高温岩石在热损伤作用下的物理力学特性，以及对地热资源开发、高温引水隧洞施工、超深钻探、矿体开发等岩石工程的安全与稳定性做出合理评价，通过分析国内外文献，系统综述了岩石在受高温作用下的损伤情况及物理力学性能方面的研究进展与成果；介绍了高温作用下岩石的破坏机理与其物理力学特性；侧重总结了岩石热冲击作用下物理力学参量的演化规律；重点分析了高温岩石结构破裂机理；总结了国内外有关热-力耦合模型以及数值分析的方法；指出当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性，并从工程角度方面展望了未来的发展方向；系统分析了温度作用下岩石热损伤的演化规律。     

原始损伤性片麻岩变形破坏中的能量特征分析

为探究不同初始损伤状态片麻岩在载荷作用下能量变化特征,取某隧道工程岩样进行单轴试验和三轴试验。对各试验岩样的应力-应变曲线特征进行分析,并对能量随应变的演化规律进行研究,结果表明:原地应力环境对试件性质影响较大;三轴试验条件下,岩石的能量演化规律可分为3个阶段,即稳定二次增长阶段、稳定破裂阶段及加速破裂阶段;损伤程度较高的片麻岩弹性能储存能力较弱,峰前扩容更明显,破裂位置更多;裂隙压密岩石弹性能储存比例高,脆性破坏更明显;卸围压过程中整体能量释放速率大于理论弹性能释放速率时,将造成卸荷损伤,使得岩石强度降低。该研究丰富了损伤性岩体的能量演化特征认识,并为片麻岩岩体工程建设提供了新的分析思路。     

砂岩渗透作用下声发射及分形特征研究

地下围岩经常处于渗透场-应力场的耦合作用中,为分析在相同渗透压、不同围压下砂岩的变形特性、渗透特性、声发射特征及基于声发射空间分布的分形维数特征,对取自某在建工程的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的抗压强度及变形能力随着围压的升高而增大;渗透率在不同围压下有着相似的演变特征,均是随着应变增大而先减小后增大,并随着围压的升高逐渐减小;声发射的演化过程反映了渗透率大小的变化趋势,渗透率随着渗透试验过程呈阶段性变化,围压越大,声发射现象越滞后;基于柱状分形理论,得到砂岩的分形维数随着试验进行逐渐减小,表明砂岩经历了一个从无序到有序的损伤演化过程,围压越大,对应的分形维数越小。研究结果有助于认识和理解砂岩渗透性的变化机制。     

基于流固耦合理论的套损力学机理分析

基于渗流力学与岩石力学理论,建立了油藏多相渗流与应力耦合分析模型,运用有限元和有限差分法建立数值解法,可对渗流场,应力场演变规律以及岩石力学参数变化进行研究,重点讨论了在渗流场影响下岩层应力分布的重新调整及其变形特征,并结合油田套损问题进行了应用研究,分析了套损的力学机理。     

高温后岩石三轴变形及渗透率演化规律

对于深部采矿工程、核废料贮存、地热资源开发及利用等工程领域来说,岩石的热-力-液耦合研究是极为重要的。为研究高温后岩石变形及渗透率演化规律,对某塔里木地区矿井岩石进行不同温度下的热破裂处理后,进行了三轴应力下的加载试验,从强度、渗透率等方面对岩石力学特性进行了分析。结果表明:①加载初期,围压增大使渗透率降低,加载中期渗透率缓慢增大,加载后期渗透率急剧增大;②岩石渗透率随温度升高增大,且呈正指数增长;③温度低于一定值下岩石的热膨胀性不明显,而较高温度引起的热膨胀会明显破坏岩石结构,使其弹性模量和强度随温度的升高降低,渗透率随着温度的升高增大;④利用热力学理论,推导出温度变化时热应力所引起的岩石裂隙的变化,从而得到了渗透率随温度变化的模型。研究结果对于高温下多场耦合问题的研究有参考价值。     

ANISOTROPIC PERMEABILITY EVOLUTION MODEL OF ROCK IN THE PROCESS OF DEFORMATION AND FAILURE

The rock permeability is an important parameter in the studies of seepage and stress coupling.The micro-cracks and pores can initiate and grow on a small scale and coalesce to form large-scale fractures and faults under compressive stresses,which would change the hydraulic conductivity of the rock,and therefore,the rock permeability.The rock permeability is,therefore,closely rela-ted with the micro-cracking growing,coalescence,and macro new fracture formation.This article proposes a conceptual model of rock permeability evolution and a micro kinematics mechanism of micro-cracking on the basis of the basic theory of micromechanics.The applicability of the established model is verified through numerical simulations of in situ tests and laboratory tests.The simu-lation results show that the model can accurately forecast the peak permeability evolution of brittle rock,and can well describe the macro-experimental phenomenon before the peak permeability evolution of brittle rock on a macro-scale.     

压力-溶解耦合作用下岩盐渗透特性演化试验

为分析老挝东泰钾盐矿区开发过程中遇到的地下水渗漏问题,采用岩土渗流-侵蚀-应力耦合试验装置,对采自矿区的岩盐原样进行压力-溶解耦合作用下的渗透特性演变规律试验。试验结果表明:岩盐试样的平均渗流速度随着水力梯度的增大先减小后增大;岩盐试样的渗透系数随着水力梯度的增大先快速减小,然后缓慢增大,最后逐渐趋于稳定的趋势;岩盐渗透特性的演化规律受到溶解作用和围压作用的共同影响,溶解作用促进渗流通道的形成,增强岩盐试样的渗透性,而围压作用则使渗流通道趋于闭合,降低岩盐试样的渗透性,这是一个相互促进、相互抑制的过程;溶解作用会促使岩盐试样内部进一步向不均匀的集中渗流通道发展,深刻影响岩盐的渗透特性的演变规律。     

岩体单裂隙流固热化学耦合作用数值模拟研究

为全面研究渗流、应力、化学、温度影响下岩体裂隙的变化,建立了岩体单裂隙的流-固-热-化四场全耦合数学模型,并以Comsol Multiphysics软件为基础,将该数学模型转化为一个统一的偏微分方程组,实现了四场全耦合数值求解。该模型给出了更接近真实物理过程的数值解答,避免用松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。同时通过对两个实例的计算模拟,分析了在渗流、压应力、水化学溶蚀和温度等多因素耦合作用下,岩体单裂隙渗透特性的变化规律,得出了裂隙岩体渗透特性的影响机理和关键影响因素。     

基于NGA模型的主余震序列作用下重力坝损伤破坏研究

传统的线弹性模型和弹塑性DP模型难以真实反映混凝土、岩石地基在遭遇超出其抗拉压强度时的损伤破坏规律。为更加全面地评估余震作用对已损重力坝结构的累积破坏影响,本文采用塑性损伤力学模型来模拟坝体的动力损伤,同时考虑岩石材料的非线性性质,将塑性损伤力学的方法推广到岩体材料,建立了大坝坝体与地基的整体损伤力学模型,实现了重力坝整体动态损伤演化全过程模拟。结合主震与强余震统计关系和NGA地震动衰减关系构造了主余震地震动序列,分别研究了单次主震、单次余震以及主震后余震对强震区混凝土重力坝坝体地基整体损伤演化的影响。研究结果表明:余震作用对坝基的塑性应变累积效应显著,对于主震受损的混凝土重力坝结构,余震作用能够引起结构较大的二次残余变形。     

三场耦合作用下黏土岩损伤变形特性及本构模型

深部地下围岩常常处于温度场、渗流场、应力场等多场耦合作用,研究黏土岩在温度-渗流-应力场耦合作用下的变形损伤演化过程尤为重要。从试验和理论模型2个方面对黏土岩开展了温度-渗流-应力三场耦合特性研究,结果表明:高温会造成黏土岩内部结构发生质的劣化,黏土岩的温度越高,其峰值强度越小,而应变变形量越大;渗透系数随变形总体呈先减后增的趋势,并在峰后阶段略有降低,分别与体变压缩硬化、剪胀损伤、软化剪胀3阶段相对应,体积变形的转折拐点即为渗透率加速增大的临界点;黏土岩的渗透率随温度升高呈先减小后增大的趋势,当温度＜50 ℃时,渗透率随温度升高而减小,当温度＞50 ℃后,随温度升高而增大;温度越高,黏土岩的“实损伤”发展越快。基于试验结果,建立了温度-渗流-应力三场耦合作用下的损伤本构模型,该模型能较好地模拟黏土岩三场耦合作用下的损伤变形演化过程。     

区域地下水开采与地面沉降控制三维全耦合数值模拟

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以江阴市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型.在对模型进行校正、识别的基础上,以第Ⅰ承压含水层未来10年内地下水位埋深不低于含水层顶板埋深一半,地面沉降量不超过50 mm为约束条件,预测了江阴市各镇的地下水可采资源量以及地面沉降量.实践表明,该模型不仅稳定性好,且收敛速度快.