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。     

基于统一强度理论的岩石统计损伤软化本构模型及其参数研究

假设岩石材料的损伤服从三参数Weibull分布,首先引入损伤阀值的思想,建立岩石统计损伤演化模型;其次,基于统一强度理论和Lemaitre应变等价性假设,引入Lode参数,建立一种可以考虑中间主应力的岩石统计损伤软化本构模型,并推导出模型参数的解析解;最后,通过与试验结果进行对比,验证了所建立的统计损伤本构方程及其参数确定的合理性。研究结果表明:该本构模型参数获取简单,能够较好地反映岩石的偏应力-应变关系,尤其是各级围压下的岩石损伤初始点和峰后应变软化特性。     

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.     

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤本构模型研究

在Mohr-Coulomb准则及岩石微元强度服从对数正态随机分布的基础上,结合岩石三轴应力应变试验曲线,建立了能反应岩石破裂全过程的三维损伤本构模型.在此基础上重点研究了对数正态分布参数对岩石损伤统计本构模型的影响,从而寻找出分布参数与围压σ3的关系.研究结果表明该模型形式简单、参数容易获得、与试验数据符合程度较好.依据该模型理论,在VC++开发环境中为FLAC3D开发出数值计算所需的本构模型动态链接库,然后采用该本构模型进行数值计算,将数值计算结果与理论结果和试验结果进行对比,结果表明开发的本构模型具有一定的合理性,为同类工程应用奠定了基础.     

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。     

不同含水率下白云岩损伤本构关系研究

通过对干燥和不同浸水状态下白云岩进行常规单轴压缩试验,得到了岩石应力—应变曲线和抗压强度、弹性模量、泊松比等参数随浸水时间及含水率的变化规律;通过定义浸水时间为损伤变量,分析了该变量随抗压强度和弹性模量的变化情况,将变化规律代入本构关系中,获得了以浸水时间为变量的本构关系。研究表明:1)将由本构关系绘出的应力—应变曲线与实际曲线对比,结果表明大多数与实际情况吻合较好,模型能够充分反映不同浸水时间下的白云岩损伤过程,此种情况下,Weibull分布参数m决定了本构模型理论曲线的形状;2)建立了考虑峰值强度随着浸水时间变化的岩石损伤统计本构模型,由模型应力—应变曲线可知,εc取值为定值时,Weibull分布参数m值随着浸水时间的增加出现先减小后变大的趋势,浸水条件下的参数m值始终小于干燥条件下的,此种情况下m不能决定本构模型理论曲线的形状。     

高应力区岩石统计损伤本构模型及能量耗散研究

为了反映高应力区岩石变形破坏全过程,通过引入双参数抛物线型Mohr强度准则,建立适用于高应力区岩体的微元强度度量方式,并假定由该度量方式得到的微元强度服从幂函数概率密度分布,结合连续损伤理论,考虑损伤变量修正,建立一个新的适用于高应力区岩体的统计损伤本构模型。以高应力区英安岩为验证对象,进行常规三轴压缩试验,依据岩石应力-应变曲线特征,给出模型参数确定方法。引用基于线性Mohr强度准则而建适用于浅部低应力水平岩石的相关统计损伤模型,利用该模型和本文所建模型对英安岩试验数据进行验证,对比试验曲线和理论曲线,证明本文所建模型的可行性。分析高应力区岩石的损伤累积和能量耗散,从能量的角度证明损伤修正系数的正确性,分析岩石变形破坏过程中的能量变化规律,体现本文所建模型的合理性。     

三维复合岩层损伤本构关系与演化方程

根据岩石微结构模型及应力应变发展规律，运用统计学与损伤理论，建立了三维复合岩层的损伤演化方程及损伤本构关系。实验结果表明，二者吻合良好。这对正确描述复合岩层损伤破坏过程，深入研究层状岩体的稳定性具有实际意义。     

岩石弹塑性损伤耦合本构模型

在不可逆热力学框架内，推导了岩石材料弹性生损伤耦合的本构模型，该模型的参数均可由通常应力－应变关系曲线确定。     

拉压全过程充填体损伤演化本构方程研究

为了解和掌握大体积充填体在大面积暴露情况下的弹塑性区域及拉、压应力状态分布情况,减少回采矿柱时产生的贫化损失,保证充填体柱的安全稳定,用本构模型建立的理论值对充填体破坏过程的实测值进行了拟舍．利用先进的MTS和INSTRON刚性伺服试验机系统对特大型采场原位取样的不同配比充填体进行了无侧限单轴抗压、劈裂拉伸强度试验,测得了所需的各种力学参数及拉、压应力-应变全过程曲线．实验结果表明：建立的充填体拉、压状态损伤演化方程和损伤本构模型能够较好的描述充填体的损伤演化性质和破坏过程,由本构模型建立的理论曲线与实测曲线拟舍得较好,理论值与实测值能够较好吻合．试验结论对预测充填体抗压、抗拉强度及破坏过程和对充填体抗压、抗拉损伤研究具有极为重要的现实意义,建立的损伤本构方程可以对同类矿山和相关行业的工程分析和设计提供一定的借鉴作用．     

Study on damages constitutive model of rocks based on lognormal distribution

The damage constitutive relation of entire rock failure process was established using the theory of representative volume element obeying the Iognormal distribution law, and the integrated damages constitutive model of rock under triaxial compression was established. Comparing with triaxial compression test result, it shows that this model correctly reflects the relationship of stress-strain. At the same time, according to the principle of the rock fatigue failure that conforms to completely the static entire process curve, a new method of establishing cyclic fatigue damage evolution equation was discussed, this method form is simple and the physics significance is clear, it may join preferably the damage relations of the rock static entire process curve.     

冲击荷载作用下的煤岩动力学特性及本构模型

为了研究煤岩的动态破坏特征和动力学损伤特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和应力加载系统,对煤岩试样进行了冲击试验和单轴压缩试验;根据应力-应变试验曲线的特征,在过应力模型上,应用连续损伤理论与统计强度理论,建立了适合煤岩动力学特性的过应力损伤模型。结果表明:动载作用下,当应变率较小时,煤岩破碎方式与静载作用时间具一定的相似性;随着应变率的增大,动载破坏强度显著增大,动态模量先增大后保持不变,塑性变形先增大后减小,应力-应变曲线具有明显的塑性流动特性。采用建立的煤岩过应力损伤模型本构方程对试验曲线进行拟合,通过两者的对比,验证了模型的正确性。     

岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究

通过试验监测岩石受力过程的声发射参数特征和时间过程特征等,探索岩石受力变形直至破坏全过程的时间特性,得到岩石破裂过程中岩石应力应变、声发射参数与应力和时间的关系。对比研究表明,不同岩样在加载过程中的声发射率与声发射能量参数成正比关系,而应力大小与声发射率和声发射的能量参数不成正比关系。最后通过岩样的压缩试验得出了不同岩样的岩石应力、应变曲线与声发射特性之间的变化规律。     

基于压密和损伤函数复合作用的单轴压缩本构关系

对西部钙泥质胶结砂岩进行单轴压缩实验。考虑压密阶段和损伤阶段应力应变曲线的变化特点,分别将压密阶段的体积应变和加载过程中的声发射累计数作为表征压密状态和损伤状态的参量,进行归一化后分别用于描述压密和损伤特征,并选取Logistic函数和指数函数进行回归拟合得到加载过程中的压密函数和损伤函数。结合试件的弹性变形特点,对压密函数和损伤函数进行线性组合,分别对由载荷控制和位移控制（包括峰前和全过程）的单轴压缩实验得到的应力应变曲线进行回归分析,得到了砂岩在单轴压缩条件下与实验结果相关性较高的的本构方程,并分析了压密函数和损伤函数中参数的物理意义。     

深部砂岩力学特性试验与本构模型

为深入探究岩石强度劣化特性对深部开采工程稳定性的不利影响。以红庆梁深立井工程为背景,对现场砂岩岩样开展不同围压条件下三轴压缩试验,结合Mohr-Coulomb强度理论研究了砂岩应力-应变、强度与变形等特征;基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点,推导出砂岩损伤软化本构模型,探讨了模型参数F_0和m与围压的函数关系,结合模型参数对模型的影响及砂岩应力-应变曲线变化特点,采用非线性拟合方法对模型参数进行修正,最后得到修正的损伤软化本构模型;利用FLAC~(3D)对修正后的本构模型数值求解,将理论计算结果与砂岩全应力-应变曲线对比验证;通过构建马头门硐室围岩数值模型对修正后本构模型进行工程应用,并分析了数值计算结果的合理性。结果表明:①砂岩变形参数对围压敏感度较低,强度参数受围压影响较大,不同围压条件下,当应力达到峰值后,砂岩呈现出明显的应变软化特性;②通过FLAC~(3D)数值验证结果可知,损伤软化模型理论计算应力-应变曲线与试验曲线高度吻合,说明模型具有较高的真实性,能反映砂岩在复杂应力状态下的破坏全过程;③利用数值模拟方法对深部马头门硐室围岩与支护结构破坏规律分析表明,在拱顶及拱肩位置较易出现塑性剪切破坏,并且与实际工程中支护结构破坏位置及范围基本相同。     

块石胶结充填体循环加卸载损伤特性研究

在RMT-150C岩石力学试验系统上对四种不同块石含量胶结充填体试件进行单轴压缩和逐级循环加卸载试验,得到其损伤破坏全过程应力—应变曲线;通过分析各组循环过程应变与动弹性模量变化,发现块石胶结充填体卸载点应力水平由低到高的每个循环过程中,试件呈现先强化后劣化的规律,且适量块石的加入可提升充填体强化过程。采用改进的混凝土分段损伤本构模型对循环加卸载下的块石胶结充填体受压破坏应力—应变曲线外包络线进行拟合,理论曲线与试验曲线吻合度较高,此模型对块石胶结充填体循环加卸载损伤破坏过程描述较为准确。     

高温冷却后花岗岩损伤演化规律研究

为了研究高温冷却后花岗岩损伤规律,通过对不同温度作用冷却后的花岗岩进行了单轴压缩试验,研究了花岗岩的力学特性,得到以下主要结论:(1)高温冷却后岩石的应力-应变曲线表现为脆性断裂特点,分为压密阶段、线弹性阶段、弱化阶段和破坏阶段4个阶段。(2)温度对岩石的力学性质影响存在2个温度阈值:在室温到第1温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而劣化;第1温度阈值范围到第2温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而逐步强化;超出第2温度阈值范围后再升温,岩石的力学性质呈劣化特征。(3)基于Weibull分布提出了损伤演化规律并推导了相应的本构方程,理论模型能部分反映岩石的力学特性。     

地下硐室岩爆的突变理论研究

用分段的岩石应力－应力全过程曲线作为本构关系，对圆形硐室受静水压力的状态作了分析，将受力岩层分成软化区和弹性区，用突变理论建立的势函数分析了突变模型，给出了发生岩爆准则，并与实测结果作对比，表明这种研究方法的有效性。     

炭质页岩常规三轴试验和本构方程的研究

利用XTR01-01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪,研究了堡镇隧道大变形段的裂隙岩体(炭质页岩)在围压为0～25MPa下的应力—应变全过程曲线,建立了屈服强度、峰值强度、残余强度与围压的关系。根据塑性力学的相关理论,提出三线性弹性—线性软化—残余理想塑性五线性模型,并应用于炭质页岩,得到了炭质页岩各段的本构方程,并讨论了软化段。结果表明,理论模型和试验结果吻合较好。     

基于热-弹塑性理论的高速切削45钢有限元分析

基于热-弹塑性变形理论建立高速切削变形场的应力-应变关系本构模型,运用有限元分析软件DEFORM-2D建立了高速切削45钢正交切削仿真模型,研究了不同速度的切削力、切削温度对工件已加工表面粗糙度的影响。