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。     

基于实际分布的花岗岩颗粒流模拟几何模型

岩石通常由不同组分组成,这些组分之间的类别差异与相互作用决定了岩石的宏观物理力学性质。以花岗岩为例,使用灰度阈值分割技术确定岩石中细观组分的具体类别与实际位置,使用平行连接表征颗粒间的胶结物,使用簇粒和聚粒分别表征黑云母、长石和石英,建立了考虑细观组分实际类型和分布的花岗岩颗粒流数值模拟的几何模型。结果表明:使用数字图像处理所得组分类型和位置可以作为建立数值模拟几何模型的基本数据;不同组分可以使用簇粒和聚粒来表征;不同组分的细观物理力学参数对花岗岩宏观力学行为有较大影响。由于细观组分的实际分布与细观物理力学性质控制了岩石的变形破坏过程,本文方法为研究岩石材料力学行为提供了一条新的研究途径。     

基于细观组分实际分布的花岗岩宏细观参数关系

岩石通常由不同细观组分组成,细观组分的类型与相互作用决定了岩石的宏观力学性质。以北山花岗岩为例,使用室内试验视频和阈值分割技术确定细观组分的类别与位置,将细观组分颗粒和胶结物分别用圆盘和平行黏结来表征,细观力学性质使用颗粒力学性质参数(弹性模量、刚度比、摩擦因数)和平行黏结力学性质参数(弹性模量、刚度比、法向强度均值、切向强度均值)7个指标来表征,宏观力学性质使用弹性模量、泊松比、峰值应力3个指标来表征,使用颗粒流代码、像素和颗粒循环技术,建立考虑细观组分实际分布的颗粒流模型,进行7因素、4水平的32次正交数值模拟试验,研究宏细观力学性质关系和细观力学性质参数的调整方法。结果表明,数字图像处理技术可以有效用于建立基于细观组分实际分布的颗粒流模型;宏观弹性模量–细观弹性模量、宏观泊松比–细观刚度比、宏观峰值应力–细观强度具有很好的对应关系;宏细观弹性模量、泊松比、刚度比有较好的相关关系。由于细观组分的实际分布与力学特点控制了岩石的变形破坏过程,研究成果对估计岩石细观力学参数、预测宏观力学性状具有一定的参考价值。     

基于细观损伤力学的梁柱焊接节点断裂破坏预测分析

应用细观损伤力学模型预测分析单调荷载作用下梁柱焊接节点的裂纹萌生与扩展。分别依据节点部位的母材、热影响区和焊缝金属缺口试样的单轴拉伸试验，标定材料细观损伤力学模型的参数；通过有限元分析模拟，预测焊接节点的开裂位置以及断裂破坏的过程，与已有试验结果以及基于微孔扩展模型和应力修正临界应变模型的有限元分析结果相比，建议的细观损伤力学模型的有限元分析结果具有更好的预测精度；针对不同焊接孔几何形状对节点断裂性能的影响进行有限元分析，结果表明，孔的几何形状对节点的断裂破坏模式的影响显著，长圆孔比圆孔具有更好的节点延性，开裂延缓，但是两种孔形的节点承载力差别很小。     

冻结岩石细观结构及温度场数值模拟研究

冻结岩石是一种内部结构及其复杂的岩土工程材料,热学特性与其细观结构密不可分.随着计算机技术的飞速发展,数字图像处理技术已经越来越多地应用于岩土工程领域.利用数字图像处理技术建立冻结岩石的细观结构模型,精确地描述页岩内部的空间结构及细观介质分布的几何形态.利用几何矢量转换技术,将细观结构模型转换为有限元物理模型,分析了负温条件下非均质冻结岩石冻融循环过程中的温度场分布规律.数值模拟结果表明:岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布形态,对岩石冻融损伤破坏过程产生不可忽视的影响.文章所提出的方法可实现考虑冻融岩石细观结构的冻土热、力学特性的定量分析.     

三轴压缩条件下单裂隙花岗岩破坏特性研究

基于常规三轴压缩室内试验分析不同倾角和张开度的单裂隙花岗岩宏观破坏特性,进一步结合颗粒流离散元分析法,对裂纹扩展、能量转化等规律进行探究,结果表明：裂隙倾角α对岩石力学特性影响显著,随着α增加,弹性模量呈现单调增大趋势,同时三轴抗压强度表现出先减小后增大规律,在约60°时达到最小值;随着裂隙倾角的增加,岩石破坏模式逐渐由拉剪混合破坏向宏观剪切破坏转变;裂隙张开度增大,将导致岩石三轴抗压强度大幅下降,围绕初始预制裂隙形成更宽的破碎带;岩石破坏过程中,裂纹数量整体呈“S”型累积,其突变点与应力-应变曲线的弹、塑性和破坏特征点一致;能量耗散与细观劣化特征具有较好的相关性,岩石结构劣化及失稳破坏本质上是能量储存、耗散、释放的过程。     

含水平裂隙的3D打印类岩石试件力学特性研究

为探究裂隙张开度对裂隙岩体力学特性的影响机制,利用3D砂型打印技术制备含水平裂隙的类岩石试件,考虑不同的裂隙张开度,对其进行单轴压缩试验;通过有限元数值模拟从应力分布的角度解释试验现象;结合数字图像相关方法进行非接触式全场变形观测,定量分析裂纹萌生、扩展以及贯通行为。研究结果表明：通过3D砂型打印技术制备的裂隙类岩石试件具有更接近于天然岩石的物理力学特性,且试验结果具有很好的可重复性,测试所得的力学参数变异系数小于0.046;含不同水平裂隙张开度的类岩石试件应力■应变曲线大致相似,峰值强度随着裂隙张开度的增加而逐渐减小,最后趋于稳定;裂隙张开度的增加导致试件起裂应力逐渐增大,但裂纹均起裂于裂隙中部,这与主应力最大值及其分布位置有关;数字图像相关方法可实现试件加载过程的应变全场测量,应变局部化带的渐进演化反映了裂纹起裂、扩展以及贯通行为;计算裂纹扩展路径周边的位移矢量分布,识别出张拉、剪切、拉剪3种位移场类型,发现裂隙张开度的改变不会影响试件破坏模式,均表现为拉剪混合破坏。研究有助于进一步加深裂隙岩体力学特性的认识,也为3D打印技术在岩石力学试验的应用提供参考。     

基于改进 Weibull 分布模型的岩石单轴压缩变形破裂规律研究

岩石的单轴压缩响应受岩石微细观结构、边界条件、试件形状等影响,呈现出测量强度和变形特性的离散性。针对上述问题,基于连续介质力学的方法,采用非线性损伤本构关系模拟岩石材料的力学响应,在常规Weibull随机分布模型基础上,引入空间相关尺度因子,建立考虑岩石空间相关特性的细观力学模型。采用改进的Weibull分布模型,对不同形状的非均质岩石试件进行单轴压缩数值试验,研究不同加载边界对岩石破损行为的影响,结果表明:端部摩擦、试件形状会影响岩石受压的变形特征及破裂形态,即使试件端部存在较小的摩擦,形状效应仍然存在。为减小单轴压缩试验结果的离散性,需尽量减小端部效应,同时,增加试件的高宽比。     

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。     

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。     

基于数字图像技术的深埋隧洞围岩 卸荷劣化破坏机制研究

 ：卸荷状态下围岩的破坏机制比较复杂,受到多种因素影响,与传统的加载模式有本质区别。以锦屏地区板岩为研究对象,进行岩石力学性质试验和细观结构试验,研究卸荷后板岩力学性质变化和微裂纹细观结构参数的统计规律。通过采用Monte Carlo模拟,形象地再现了卸荷后板岩微裂隙的空间分布,最后得到不同围压、不同阶段卸荷破坏的岩石细观损伤的分形维数。将卸荷岩体的力学性质参数和细观损伤分形维数联系起来,为从传统力学方法研究岩石的损伤和破坏过程提供依据。研究结果表明,随着围压增大,卸荷岩体分形维数增大,相同围压下的岩体,峰后卸围压的分形维数大于峰前卸围压的分形维数。     

基于细观结构表征的岩石破裂热–力耦合模型及应用

 岩石热破裂的研究只有考虑各种矿物组分造成的岩石的非均匀性,才能更客观地反映岩石热破裂的本质。利用数字图像处理技术数字化表征岩石内部矿物颗粒的几何形态,充分考虑岩石真实的细观结构,结合细观损伤力学和热弹性理论,建立能更客观的分析岩石热–力耦合作用下破裂过程的数值模型。以花岗岩为例,运用数值模型研究花岗岩在温度和压缩荷载共同作用下的力学行为和破裂过程。研究结果表明,温度对岩石的力学性质和破裂演化过程影响显著,热破裂裂纹多发生在矿物颗粒边界处,并沿颗粒边界扩展,局部会形成闭合多边形,其热破裂演化过程与试验结果基本相符,从而验证了数值模型的合理性和有效性,该数值模型为细观尺度定量研究岩石热破裂提供一种新的方法。     

短纤维水泥基复合材料的拉伸数值分析

提出软弱区的概念,并定义该软弱区为砂浆试件中包含微裂隙、微裂缝或微缺陷的一个局部区域,采用细观力学的方法,假定砂浆试件是由砂浆基体和许多随机分布于基体中的软弱区所组成,基于蒙特卡罗随机抽样原理,实现软弱区单元在砂浆基体中的随机分布,基体单元和软弱区单元材料的非均匀性由Weibull参数来表征,同时假定基体单元和软弱区单元均符合低拉伸材料开裂准则,建立砂浆拉伸数值模型,考虑软弱区分布、Weibull分布参数、细观单元力学参数等对数值试验的影响,全面分析砂浆拉伸开裂的力学行为。在砂浆数值模型的基础上,系统研究短纤维增强砂浆的拉伸开裂及纤维细观力学参数、分布特征等对数值拉伸结果的影响。最后,将数值结果与试验结果进行对比,结果表明,数值模型能较好地模拟砂浆的拉伸开裂和短纤维对砂浆的增强效果,同时由数值模拟得到的砂浆单向拉伸应力–应变全过程曲线与试验结果较为吻合。     

岩石单轴压缩PFC2D模型细观参数标定研究

为了研究单轴压缩PFC^2D模型宏细观参数之间的关系及对其细观参数进行标定,以平直节理接触模型作为颗粒接触本构模型,对PFC^2D模型细观参数进行正交设计,以多因素方差分析、量纲分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,提出了试错法标定细观参数的具体流程,将其用于灰岩单轴压缩PFC^2D模型细观参数的标定中,数值模拟所得宏观参数、应力-应变曲线和破坏特征与室内试验结果相近,验证了本文方法的可行性。分析结果显示,如果要建立双轴压缩PFC^2D模型,还需进一步标定细观参数tanφ_b和μ_b。研究成果可为岩石力学试验的颗粒流模拟提供一定参考。     

岩石单轴拉伸破坏过程的数值模拟

用三维梁–颗粒模型BPM3D(Beam-Particle Model in Three Dimensions)对岩石材料在单轴拉伸条件下的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。模型中材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石材料的破坏机理进行研究。岩石在单轴拉伸状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、连接的结果。数值模拟结果与实验结果的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石材料的破坏机理进行了探讨。     

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。     

含裂隙类岩石力学特性研究现状与展望

针对裂隙对类岩石力学性质的影响,阐述了近年来关于含裂隙类岩石力学性质方面的研究进展,主要包括不同裂隙数目、裂隙倾角和裂隙形状下裂隙类岩石的力学特性。通过对预制裂隙类岩石试件的深入探究,系统分析了在单轴压缩试验、双轴压缩试验、三轴压缩试验以及数值模拟中含裂隙类岩石试件的力学特性。此外,介绍了含裂隙类岩石研究时所用试验设备,结合现有研究成果,提出了关于含裂隙类岩石力学试验研究的发展趋势。结果表明:裂隙的数目、倾角及形状均会对含裂隙类岩石试件的力学性质产生显著影响。     

基于平节理模型的花岗岩固有微裂纹对裂纹演化影响分析

模拟脆性岩石破坏时,现有的平节理模型没有考虑固有微裂纹导致的应力-应变曲线非线性特征,也没有将起裂强度作为细观参数的标定基准。以花岗岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、应力-应变曲线特征、起裂强度、巴西劈裂抗拉强度、库仑摩擦角以及黏聚力作为基准,标定平节理模型细观参数,并分析宏细观参数间的趋势关系。以标定后的参数建立精确平节理模型试样,与不考虑固有微裂纹的常规平节理模型试样一起进行30°单裂纹岩石压缩数值试验,以室内试验数字图像相关方法得到的应变场为基础,对拉剪微裂纹萌生规律、数量以及分布特征进行分析,验证了提出的平节理模型参数标定方法,并表明固有微裂纹在宏观层面上改变了单轴压缩应力-应变曲线特征,而在细观层面上对预制裂隙尖端初始裂纹的起裂模式、拉剪微裂纹的扩展分布规律均有较大影响。     

裂隙岩体交叉水流-传热对温度影响的数值分析

裂隙岩体内水流-传热特征是评价高放废物处置库安全运行的重要组成部分。采用3DEC离散元软件建模,着重分析热源温度、裂隙水流速及裂隙开度对裂隙岩体温度的影响。在设定条件下,计算分析表明:(1)由于热传导与水流传热的不规则性,瞬态到稳态,上层岩石形成从下向上为主的传热路径,中、下层岩石形成从左向右为主的传热路径;岩石的温度梯度逐渐减小,裂隙两侧岩石等温线的不连续性逐渐增大;(2)斜裂隙水流与岩石热传导的耦合迟于竖裂隙水流与岩石热传导的耦合,岩石热传导与斜裂隙水流和邻近热源侧的竖裂隙水流对温度分布起控制作用;(3)热源温度越低,裂隙水流速越高,裂隙开度越大,岩石温度越低,系统达到稳态所需要的时间越短;(4)低流速裂隙水的热传导占主导作用,高流速裂隙水的对流传热占主导作用,裂隙交汇处存在局部热对流。     

粗糙岩石单裂隙非达西流动的试验和数值模拟研究

采用3D雕刻方式制作了一批具有特定粗糙度的砂岩裂隙样品，结合自行设计的可定量调整粗糙岩石单裂隙开度的装置，实现了在试验中对岩石单裂隙试样开度和表面粗糙度的定量化控制。开展一系列不同流量下的渗流试验，研究了平均开度和表面粗糙度对粗糙岩石单裂隙非达西流动的影响。结果表明Forchheimer方程可以准确的描述裂隙中流体流量与压力梯度间的非线性关系。分形维数是表征岩石裂隙表面粗糙度的有效参数，其增大主要导致裂隙的曲折程度增大而使流动路径变得更复杂，从而促进非达西流动的发生。建立了惯性渗透率与平均开度和分形维数之间的经验定量化模型，通过直接求解Navier-Stokes方程来开展三维粗糙单裂隙渗流模拟，验证了所建立模型的准确性和所开展渗流试验的可靠性。粗糙岩石单裂隙的平均开度越小、表面粗糙度越大则所建立的经验定量化模型预测的结果就越精确。