考虑节理裂隙尺寸与方位分布的岩石统计损伤本构模型研究EI北大核心CSCD

为建立细观损伤与岩石宏观变形之间的定量关系,基于岩石强度的Weibull概率分布特征,结合损伤力学理论、统计强度理论与分形理论,考虑节理裂隙尺寸为分形分布和方位为正态分布的情况,建立岩石统计损伤本构模型和损伤演化方程,分析了损伤演化途径。给出与裂隙尺寸、尺寸分形维数和产状相关的本构模型参数,讨论了模型参数的物理意义和影响因素。结合前人试验测试结果加以验证,分析了统计损伤本构模型的合理性与不足之处。     

考虑节理裂隙尺寸与方位分布的岩石统计损伤本构模型研究

为建立细观损伤与岩石宏观变形之间的定量关系,基于岩石强度的Weibull概率分布特征,结合损伤力学理论、统计强度理论与分形理论,考虑节理裂隙尺寸为分形分布和方位为正态分布的情况,建立岩石统计损伤本构模型和损伤演化方程,分析了损伤演化途径。给出与裂隙尺寸、尺寸分形维数和产状相关的本构模型参数,讨论了模型参数的物理意义和影响因素。结合前人试验测试结果加以验证,分析了统计损伤本构模型的合理性与不足之处。     

基于Weibull分布的岩石损伤软化模型及其修正方法研究

利用岩石微元强度服从Weibull随机分布的特点，引进能合理描述岩石微元强度的参量，基于岩石三轴应力．应变试验曲线，建立了反映岩石破裂全过程的损伤软化本构模型。在此基础上，探讨了基于Weibull分布的岩石损伤软化模型参数与围压的关系，并结合模型参数对该模型的影响规律以及岩石破裂过程全应力．应变试验曲线的特点，对其参数进行了合理修正，从而建立了更加符合实际的岩石损伤软化本构模型，并与试验结果及前人研究结果进行了对比分析。分析结果显示了该模犁的合理性，表明该模型具有广泛的工程应用前景。     

基于最大剪应力理论的本构模型推导

假设岩石微元强度服从最大剪应力准则和微元破坏服从Weibull概率公式,建立一种能够描述岩石在循环加卸载状态下的本构模型。对本构模型进行等式变换,得到采用应力、应变、弹性模量等参数表示的关于损伤变量和岩石微元强度的表达式。     

考虑孔隙水压力的岩石统计损伤本构模型研究

在损伤力学理论基础上,通过有效应力原理引入孔隙水压力,结合应变等价性假说建立应力渗流耦合作用下有效应力的表达式,并假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,构建考虑孔隙水压力的岩石统计损伤本构模型。通过试验曲线和理论曲线的对比发现该模型能较好地反映岩石在应力渗流耦合作用下应力–应变过程,表明所建模型的合理性。在此基础上,探讨孔隙水压力和模型参数、损伤特性的关系规律,对应力渗流耦合作用下岩石工程的安全性分析有较好的参考价值。     

表面形貌对岩石摩擦滑动本构参数影响研究

 对典型岩石摩擦滑动试验装置进行改进,以千枚岩、石英岩、石英砂岩、岩屑砂岩、大理岩、石灰岩、鲕状石灰岩和白云质灰岩等岩样作为研究对象,以其抛光面作为摩擦滑动面,从本构参数的角度出发,研究自然、饱水和干燥状态下岩石摩擦滑动过程中的稳定性。采用R-D本构模型分析不同状态下岩石的摩擦滑动本构参数,基于岩石抛光表面形貌分析微凸体和分形维数对岩石摩擦滑动本构参数的影响。试验结果表明：在相同抛光条件下,不同岩石滑动表面微凸体的直径均值、高度均值和表面轮廓平均高度不同,随着这3个参数的增加,本构参数均呈线性规律降低;滑动表面形貌越精细分形维数越大,随着分形维数的增加,本构参数呈线性规律增加。     

岩石裂纹扩展诱发的强度弱化模型研究

岩石应力应变本构关系对于判断岩石强度、变形力学特性有着重要的意义,细观裂纹对岩石力学特性又有着重要的影响。基于细观裂纹扩展模型,将裂纹角度影响引入模型,并结合宏细观损伤定义联系,建立了一个考虑裂纹角度影响的轴向应力应变本构模型,并解释了围压与轴向应变本构关系,分析了裂纹贯通与岩石失效极限应变之间的联系,然后将该本构模型,与常规压缩试验与循环加卸载试验对比分析得到的试验规律相结合,提出了一个岩石内部裂纹扩展、变形损伤作用下岩石压缩强度弱化模型。并通过将不同围压下的裂纹启裂应力试验值和理论公式相结合,预测了模型中难以试验直接获取的关键参数μ,a,β,φ。其中初始裂纹尺寸a与裂纹角度φ,是由真实岩石中随机分布裂纹尺寸、角度平均化思维获取。随着裂纹扩展或应变增加,岩石压缩强度开始保持不变,当岩石达到一定损伤后不断降低。该强度弱化模型的应用,为地下工程围岩稳定性评价提供了一个重要的理论支持。     

基于对数正态分布的岩石损伤本构模型研究

根据岩石微元物理力学性能服从随机分布的特点,采用对数正态分布作为岩石微元强度的概率分布模型,结合损伤力学理论和统计强度理论,建立了三轴压缩条件下的岩石损伤本构模型。在此基础上,考虑岩石破裂过程全应力应变曲线的特点,利用多元函数极值理论依据试验曲线的特征参量确定出损伤本构模型参数。与试验结果及前人研究结果比较,该模型形式简单,参数求取容易,能较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,表征岩石破裂过程的全应力应变关系。     

岩石含损伤本构模型和地下爆炸效应研究

通过对岩石变形和破坏机理的深入研究，建立了岩石类材料宏观，细观相结合的含损伤本构模型。并在此基础上开展地下爆炸效应和波传播规律的研究，分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，为提高准确预测地下岩石中强爆炸激发的震震源的能力提供合适的计算方法和理论依据。首先对岩石类脆性材料本构模型和地下爆炸效应的研究进展进行了较为全面，系统在回顾和总结，对现有的各种动态损伤模型进行了比较和评述，并对当前的研究热点及趋势作了讨论，在此基础上，得到了解决本课题理论难点的思路和方法。采用Taylor方法，对Margolin的理论进行改进，考虑了不同应力状态下微裂纹的张开，闭合及裂纹面摩擦对裂纹体材料性质的影响，获得了轴对称应力条件下考虑摩擦的附加应变的各种解析表达式。针对工程需要进行简化，得到了不同应力状态下的有效模量，建立了含微裂纹损伤的本构模型。通过数值计算，研究了不同的应力状态，围压以及微裂纹面上的摩擦对材料力学性能的影响，得出一些有意义的结果和规律。以热力学理论和本构理论为基础，计入了微孔洞和微裂纹对材料力学性能的影响，建立了一种改进的岩石类材料含损伤弹性本构模型，首次从热力学势函数和微裂纹统计平均方法出发，提出了同时考虑微孔洞和微裂纹影响的增量型应力-应变关系，基于实验结果，针对岩石硬化，软化和破坏等不同阶段的细观损伤机理和宏观变形特点，给出了具有不同函数形式的屈服面表达式。采用非相关流动法则，对Rubin模型加以简化并结合Griffith准则，分别建立了岩石类材料的塑性流动律以及微孔洞和微裂纹损伤的演化律，采用建立的含损伤本构模型成功地拟合了花岗岩三轴压缩试验数据，并获得了模型中的材料参数。运用有限差分法研究了脉冲载荷下岩石介质中一维应变波的传播规律，着重分析了本构模型及其参数对一维应变波在岩石类损伤软化介质中演化规律的影响，并通过两种模型（弹塑性模型和含损伤弹塑性模型）的对比分析，提示了岩石类脆性材料中应力波传播的主要特点。基于一维有限差分程序，嵌入改进的动态本构模型，对封闭式地下强爆炸开展数值模拟研究。着重分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，数值计算获得的速度和压力峰值衰减，位移和速度波形、爆炸空腔，震源函数等物理量，与国外地下试验及数值模拟结果十分接近，进一步验证了本构模型的有效性，从而提高了预测地下岩石中强爆炸激发的地震震源的能力，为空腔解耦研究打下基础，据作者所知，目前，国内这方面的工作尚未见到有类似的研究结果。     

基于三轴压缩的脆性煤体力学性质及其本构关系研究

为合理描述分析脆性煤体在三向应力状态下的应力–应变关系,对煤样进行三轴压缩试验。以已发生损伤破坏的微元体数目与总微元体数目之比表征损伤变量,在基于损伤力学理论和煤样内部微元强度服从Weibull分布的基础上,引入Mogi-Coulomb强度准则表征煤样微元强度随机分布的分布变量,建立煤样三维统计损伤本构关系,并分析其适用性。研究结果表明：(1)围压对煤样力学性质影响显著,煤样强度和弹性模量随围压的增高而增大,煤样破坏后的裂隙网络分形维数随围压的增高而减小,损伤程度降低;(2)分析数学简化算法求解模型参数的局限性,采用遗传算法对模型参数进行求解,参数m,F₀,c_n分别反映煤样的脆性程度、平均强度、残余强度;(3)根据本构关系对煤样试验应力–应变曲线进行拟合验证,理论曲线与试验曲线的拟合度均值为94.74%,表明本文所建立的本构模型可用于描述煤样的三维应力–应变关系,能够反映脆性煤体的变形特性。     

基于微震信号多重分形特征的岩石边坡变形预警研究

依托白鹤滩水电站左岸岩石边坡工程,引入多重分形去趋势波动分析法(MF-DFA)估算微震波形多重分形谱,以岩石破裂微震波形多重分形时变响应特征为基础,揭示岩石边坡变形预警信号。研究表明,左岸边坡岩石微破裂与爆破振动波形多重分形特征明显,且爆破振动波形多重分形谱宽度远大于岩石微破裂波形多重分形谱宽度。边坡裂缝增大前,岩石微破裂波形多重分形时变响应特征表现出很强的规律性,可作为变形预警信号,即:岩体在发生变形破坏前,多重分形谱宽度△α呈现增大趋势,微震波形多重分形谱△f(α)呈现减小趋势,可视为变形预警前兆信号;发生变形破坏时,△α呈现减小趋势,△f(α)呈现增大趋势,可视为变形破坏期;发生变形破坏后,△α和△f(α)均呈现平稳趋势,△f(α)整体将处于零线附近,可视为稳定期。     

基于多重分形的岩石声发射信号特征解构分析

岩石受压会产生局部能量快速释放现象并引起声发射。由于声发射信号是岩石体积效应的综合体现,因此其蕴含着复杂且能体现岩石内部形态结构变化的信息。采用多重分形对声发射信号特征进行解构分析,发现不同加载阶段声发射信号多重分形谱形态均呈现小概率事件的特征,这说明岩石破坏过程的复杂性;进一步研究表明,岩石濒临破坏时声发射信号特征参数与加载初期存有显著差异:加载初期,信号多重分形谱谱宽较大,而濒于破坏时声发射信号标度区间显著增加,不同加载阶段声发射信号结构已经发生变化;不同种类岩石试验的声发射信号都给出类似的提示。     

In situ gas permeability measurements to delineate damage in rock salt

In situ gas permeability measurements can be used to distinguish regions within rock salt formations which have experienced disturbance or damage. High-resolution hydrologic testing reveals rock salt well removed from an excavation (i.e. undisturbed) is a low permeability, low porosity, porous medium with a significant pore (brine) pressure. In this region, rock salt is effectively impermeable to gas due to threshold capillary pressures which preclude gas from displacing the resident brine. In a region confined to a depth of less than about one effective radius of an excavation, rock salt is typically permeable to gas. The measured gas permeabilities are consistent with a partially saturated, dilated zone developing adjacent to the excavation. The extent and nature of the damaged region interpreted from gas permeability measurements is consistent with other measurements and analyses. Thus, gas permeability measurements serve as effective means for detecting and delineating the damaged region.     

岩土结构中应变局部化有限元方法研究

介绍了岩土结构中常用的研究结构及其破坏机理的方法,通过对应变局部化的理论和数值模型的研究,初步探讨了改进控制方程、自适应技术和非连续形函数三种解决岩土应变局部化问题的方法,对研究结构破坏机理及解决实际工程问题都具有重要意义。     

A theoretical derivation of the Hoek-Brown failure criterion for rock materials

This study uses a three-dimensional crack model to theoretically derive the Hoeke Brown rock failure criterion based on the linear elastic fracture theory. Specifically, we argue that a failure characteristic factor needs to exceed a critical value when macro-failure occurs. This factor is a product of the microfailure orientation angle(characterizing the density and orientation of damaged micro-cracks) and the changing rate of the angle with respect to the major principal stress(characterizing the microscopic stability of damaged cracks). We further demonstrate that the factor mathematically leads to the empirical Hoeke Brown rock failure criterion. Thus, the proposed factor is able to successfully relate the evolution of microscopic damaged crack characteristics to macro-failure. Based on this theoretical development, we also propose a quantitative relationship between the brittleeductile transition point and confining pressure, which is consistent with experimental observations.     

基于残余强度变形阶段特征的岩石变形全过程统计损伤模拟方法

岩石应变软化变形破坏全过程模拟是岩石力学研究的重要内容。首先在分析岩石应变软化变形全过程不同阶段变形特征基础上,针对现有岩石损伤模型难以反映岩石破坏后仍具残余强度特性的不足,假设受载岩石可抽象为损伤和未损伤两部分材料组成,其所受轴向荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力为残余强度,建立出可反映岩石破坏后仍具残余强度特征的新型损伤模型;其次,引进统计损伤理论,在探讨岩石微元强度合理度量方法的基础上,考虑岩石损伤阀值的影响,建立可反映岩石变形全过程特征的岩石统计损伤演化模型;然后,利用上述岩石损伤模型和损伤演化模型建立出可模拟岩石应变软化变形全过程的损伤统计本构模型,并建立其模型参数确定方法,该模型能较好地反映岩石峰后残余强度阶段变形特征;最后,通过实例分析与讨论,并与其他同类模型分析结果进行比较分析,表明本文模型与方法的合理性与优越性。     

压气储能地下储气库围岩累积损伤特性数值研究

压气储能电站地下岩穴储气库围岩在循环运行工况下累积损伤效应明显。为研究大规模地下储气库围岩的累积损伤特性,基于损伤理论和FLAC^3D软件平台,二次开发了适用于大规模地下储气库循环加卸载条件下的累积损伤分析程序,并对程序正确性进行了验证。在此基础上,研究了储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力等因素对储气库围岩累积损伤特性的影响。研究表明:①储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力都对储气库围岩变形参数损伤影响较显著,且储气库竖直方向损伤深度都大于水平方向损伤深度;②损伤区内围岩变形参数的损伤程度和损伤变量随着洞室埋深或运行下限压力的增加而减小;③对于相同截面型式的储气库,埋深和运行下限压力不同时,储气库围岩损伤区内同一测点位置的损伤变量或变形参数差值随着循环次数的增加逐渐增大。大规模地下储气库围岩累积损伤特性对全面分析储气库的安全稳定性不可以忽略。     

公路岩质高边坡的破坏与加固技术探讨

主要介绍了公路岩质高边坡的破坏类型和主要原因,对破坏原因及由此带来的危害进行了较为详细的分析,并结合国内外的施工经验和方法进行总结,探讨了公路岩质高边坡破坏的主要加固方法与技术措施,以确保公路行车安全和运营效益。     

Simulations of explosion-induced damage to underground rock chambers

A numerical approach is presented to study the explosion-induced pressure load on an underground rock chamber wall and its resultant damage to the rock chamber.Numerical simulations are carried out by using a modified version of the commercial software AUTODYN.Three different criteria,i.e.a peak particle velocity (PPV) criterion,an effective strain (ES) criterion,and a damage criterion,are employed to examine the explosion-induced damaged zones of the underground rock chamber.The results show that the charg...     

A thermo-hydro-mechano-chemical formulation for modeling water transport around a ventilated tunnel in an argillaceous rock

Argillaceous rocks are being considered as potential host rocks for deep geological disposal. For the research work in DECOVALEX-2011, 5 participant research teams performed simulations of a laboratory drying test and a ventilation experiment for Mont Terri underground laboratory built in argillaceous rock formation. Our study starts with establishing a coupled thermo-hydro-mechano-chemical (THMC) processes model to simulate water transport in rock around the ventilated tunnel. Especially in this THMC formulation, a three-phase and two-constituent hydraulic model is introduced to simulate the processes which occur during tunnel ventilation, including desaturation/resaturation in the rock, phase change and air/rock interface, and to explore the Opalinus clay parameter set. It can be found that water content evolution is very sensitive to intrinsic permeability, relative permeability and capillary pressure in clay rock. Water loss from surrounding rock is sensitive to the change of permeability in clay which is induced by excavation damaged zone. Chemical solute transport in the rock near ventilation experiment tunnel is simulated based on the coupled THMC formulation. It can be estimated that chemical osmotic flow has little significance on water flow modeling. Comparisons between simulation results from 5 teams and experimental observations show good agreement. It increases the confidence in modeling and indicates that it is a good start for fully THMC understanding of the moisture transportation and mechanical behavior in argillaceous rock.