循环载荷作用下岩石材料变形场演化试验研究

 将岩石在动载荷作用下破坏过程的应力场直观地表现出来,从变形场演化的角度研究岩石试件的破坏规律是岩石力学变形观测领域一个有重要意义的课题。采用岩石材料破坏过程变形场监测(Geo-DSCM)系统,观测循环载荷作用下岩石材料破坏过程中的变形场演化。岩石试件采用大理岩加工而成,对岩石试件加载的循环载荷为正弦波,其下、上限载荷分别为10,130 kN,频率为0.04 Hz。通过对多个岩石试件的变形破坏过程的观测,从变形场演化的角度总结岩石材料在循环载荷下的破坏规律。试验结果表明：循环载荷作用下岩石的变形经历3个阶段,即均匀阶段、局部化阶段和破坏阶段。岩石在破坏过程中其变形场演化表现出一个规律,即在破坏前夕发生严重的变形局部化现象,形成变形局部化带;变形局部化带中的变形进一步集中,形成宏观裂纹,导致试件破坏。从而可用一种描述变形场局部化特征的统计量(如变形场的方差)来表征变形场演化过程,岩石破坏前发生变形局部化,此统计量会发生突跳。因此,此统计量可用以指示岩石结构的破坏,如果设计现场观测系统,应用此方法有望实现灾害监测与预报。     

剪切破坏模式下岩石的强度准则

在对剪切破坏模式下岩石的变形和破坏局部化观察和本构模拟分析的基础上,提出了一个新的强度准则。该准则考虑了岩石材料的不均匀性及破坏局部化特性,定量地描述了岩石强度的尺寸效应。     

岩石破坏过程的计算机模拟

本文提出了一种岩石破坏过程的计算机模拟方法,该方法将岩石的破坏过程视为一随机过程。模拟计算结果表明,岩石的Ⅰ型和Ⅱ型破坏都与其不均匀性有关,但当试件产生不均匀变形或局部破坏时,宏观应力应变曲线将呈现所谓的Ⅱ型曲线;Ⅱ型应力应变曲线不是某类特定岩石自身的固有特性,而是试件局部变形并产生局部破坏的结果．     

基于应变局部化的岩样单轴压缩本构模型研究

应变局部化是加载过程岩样内部变形自组织的结果。基于岩样变形局部化的客观存在性,提出以变形局部化带的力学行为描述加载过程,并用参数方程表示岩样单轴压缩本构关系的方法。根据能量守恒原理,建立变形局部化过程的准静态增量平衡方程,推导峰值前后应力–应变曲线的参数方程、变形局部化与峰值应力及应变关系、II类岩石变形行为存在条件以及岩石失稳破坏判据。根据系统失稳临界条件,导出系统应力跌落量的表达式。研究结果表明,若应变局部化带的本构关系软化段曲线存在拐点,则系统发生应力跌落现象,否则发生脆性破坏。基于模型理论,证明II类岩石的破坏是不稳定的或是自持续的,以及常应变率下伺服式加载系统不能得到II类岩石软化段曲线的试验事实。通过对模型中力学参数的对比研究表明,岩石变形破坏不但在软化段具有尺寸效应和II类变形行为,而且硬化段也存在尺寸效应,表现出峰值对应的应变随着试件的增长而变小的规律。     

采动卸荷岩石破坏的理论模型与实验验证

基于采动卸荷岩体破坏实验,提出了采用三段模型来近似描述采动卸荷岩石应力-应变关系模型。从经典的应变梯度塑性出发,建立了弹塑性局部化应变单元模型,推导出应变局部变形带与内禀材料尺寸的关系,用简单的线性关系描述了宏观局部变形带与材料内部参数—内禀材料尺寸的关系,建立的本构关系将采动卸荷应力-应变曲线分成弹性阶段、采动卸荷弹塑性阶段和采动卸荷破坏软化阶段。讨论了孔隙度、比例系数和材料内禀尺寸对采动塑性屈服面的影响。在采动卸荷弹塑性阶段, 本文假设塑性变形主要产生在局部变形带中。岩石处于高度压密状态,此时孔隙度基本不变,亚临界微裂纹也主要产生于局部变形带中。通过选择合适的内禀尺寸和其他参数代入构建的本构模型中,证实了理论结果与实验结果较为吻合。     

岩石(大理岩)应力-应变全过程和应变梯度的研究及其分岔理论分析

岩石的破坏是一个渐进的过程,其宏观破裂是局部化非均匀变形积累（发展）到一定阶段的结果。基于这一思想,对岩石（大理岩）从宏观力学全过程、应变梯度和分岔理论分析进行了研究。     

对“岩石塑性应变梯度与Ⅱ类岩石变形行为研究”讨论的答复

感谢范华林、金丰年和浦奎源对“岩石塑性应变梯度与Ⅱ类岩石变形行为研究”的讨论 (以下简称 :“讨论”) ,现就有关问题答复如下 : ( 1 )变形局部化是材料不稳定的重要表现形式 ,是材料破坏的先兆 ,在广泛的材料如金属材料、复合材料和地质材料等都可观测到 ,是国际上一个研究热点[1] 。目前 ,解释变形局部化现象一般采用可考虑材料细观结构的Ｃｏｓｓｅｒａｔ微极理论和梯度塑性理论。对于岩石的宏观尺度与其内部的裂隙和孔隙尺度的数量级相差较大时 ,仍可用将岩石做为连续介质的研究方法对岩石破坏进行研究 ,用连续介质力学的框架和材料学的方法 ,定量地分析不稳定性 ,剪切带的形成[2 ] 。作者汲取上述     

粉砂岩三轴压缩试验中的试样尺寸效应研究

可靠的试验数据是认识和理解岩石强度和变形特性的基础。以粉砂岩为对象,系统研究其在室内三轴压缩试验中的试样尺寸效应,分析不同围压下尺寸效应对岩石强度和变形的影响规律。相同直径不同长度(不同高径比)试样的试验结果表明,在相同围压下,随着高径比的增大,粉砂岩的抗压强度和泊松比不断减小,杨氏模量逐渐增大;当岩样高径比超过2.2时,粉砂岩强度、杨氏模量和泊松比的测量值逐渐趋于稳定。另外,基于不同直径相同高径比岩样的常规三轴压缩试验,对比分析不同围压下岩石抗压强度、变形和破坏形式等力学特性。研究表明,对于均质性较好的细颗粒岩石,缩放岩样尺寸引起的体积效应不明显,尺寸效应主要表现为岩样高径比的影响。     

考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型研究

基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与尺寸之间的非线性关系,建立了单轴压缩下考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型。然后采用伺服试验机对不同尺寸大理岩石进行了单轴压缩试验研究,得到了不同尺寸大理岩样试验结果;讨论了材料力学参数与尺寸之间的关系,给出了考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型参数。预测的不同尺寸岩石理论曲线和试验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了岩石尺寸对损伤特性的演化规律。     

劈裂荷载下孔隙结构对砂岩宏观力学性质的影响

为了解决砂岩内部孔隙结构对砂岩宏观力学性能的影响机理问题,以砂岩为研究对象,利用统计学原理和图像处理技术,建立了砂岩孔隙结构的三维重构模型。在此模型的基础上,利用数值模型方法开展了孔隙岩石劈裂数值模拟实验,分析了孔隙结构参数(孔隙大小、形态及孔隙率)对砂岩在劈裂荷载下的变形、应力分布和破坏连通区特征等宏观力学性质的影响,揭示了孔隙砂岩变形破坏的力学机理。研究结果表明:孔隙形态对砂岩应力分布和变形破坏有显著的影响;随着孔径的增大,砂岩从拉伸破坏和剪切破坏变成单一的拉伸破坏,破坏时的变形和最大拉应力均减小;孔隙率越大,砂岩更易破坏,且破坏时的变形和最大应力拉应力也越大,但影响程度随着孔径的增大而减弱。研究结果可为分析孔隙结构对岩石宏观物理力学性能的影响机理提供了一定的理论依据和参考。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

岩石模型结构面的取样代表性试验研究

岩石结构面的代表性取样是开展不同尺寸模型结构面直剪试验的前提条件,直接影响到结构面抗剪强度尺寸效应试验结果的有效性和可靠性。通过对取样尺寸为10 cm的18组岩石结构面粗糙度系数(JRC)的测量和统计分析,得到该尺寸岩石结构面试样的粗糙度系数分布规律,表明模型结构面取样代表性评价的必要性。基于结构面粗糙度系数非均一性分布特点,以及对简单随机取样法和分层取样法2种概率取样方法的比较分析,提出基于分层取样法的岩石模型结构面代表性取样方法,该方法采用JRC四分位法确定各层样本的数量比例,再利用分层取样公式计算样本的取样数量。通过岩体结构面抗剪强度的力学机制分析,对试样取样代表性和力学可靠性进行校验,结果表明,采用该取样方法能较好地代表该尺寸的表面形态分布,取样结果也较好地满足力学试验的统计精度要求。     

围压对节理岩体表征单元体尺寸的影响研究

 节理岩体的力学特性与其赋存的应力状态密切相关,已有的岩体表征单元体确定方法均没有考虑围压对表征单元体尺寸的影响。以某公路隧道为工程背景,采用三维离散元数值方法,对此问题进行研究。基于现场大量节理量测,统计出研究区岩体的优势节理组,建立岩体结构模型及三维离散元数值模型,模拟岩体的压缩试验,研究不同围压条件下表征单元体尺寸及岩体变形和力学特性的变化规律。结果表明：当围压小于20 MPa时,表征单元体尺寸随围压增加呈正相关增大;当围压大于20 MPa时,表征单元体尺寸不受围压影响,保持不变。当围压小于60 MPa时,岩体承载力随围压增加呈正相关增大;当围压大于60 MPa时,岩体承载力不随围压增加而变化。岩体的轴向应变、横向应变和体积应变随围压的变化规律也表现出明显的围压效应。     

准脆性材料的破坏概率与强度尺寸效应

基于最弱链模型和缺陷的Poisson分布假设,综合体积和材质因素,建立准脆性材料破坏概率和强度尺寸效应的统计模型和一般表达式。由此可知物体的破坏概率随体积单调增加,强度随体积单调减小,在通常有限的尺度范围内,当体积很大时,强度变化很小可视作常值;无缺陷材料则没有尺寸效应。通过分别采用Weibull分布和对数正态分布,得到材料破坏概率和强度尺寸效应的具体形式并进行对比分析,最后利用典型岩石强度试验结果验证其适用性。分析结果发现,这2种分布都能描述材料的尺寸效应,而且体积相同时Weibull分布给出的强度值较低。当试样体积与参考体积接近时,2种分布给出的强度结果差别很小,而对数正态分布在整个体积范围都能给出更接近工程实际的强度值。在准脆性材料强度尺寸效应的统计途径研究中,采用对数正态分布可作为Weibull尺寸效应理论的简单改进。     

利用围压下岩石的凯泽效应测定地应力

随着地层深度的增加，岩石Kaiser效应相对的应力会接近并且超过岩石的单轴抗压强度。此时无法再利用常规岩石Kaiser效应测定地应力，而利用围压作用下岩石的Kaiser效应可测定深部地层地应力。通过对同一深度地层的岩术施加一组递增的围压，研究了围压对岩石Kaiser效应的影响，提出了利用围压下岩石Kaiser效应测定地应力的实验室方法，并且论述了其测定原理。通过系统的实验研究，发现岩石的Kaiser效应相对应的应力与所受的围压呈线性关系，并得到了统计回归直线。将实验结果应用于现场的地应力计算，地应力实验测量结果与现场水力压裂实验结果具有较好的吻合度。从而解决了深部地层中地应室内实验测定问题。     

岩石抗压强度的尺寸效应

在7种岩石的力学试验基础上，研究了岩石抗压强度的尺寸效应。由试验结果获得一个经验公式，与试验结果的对比令人满意。     

基于三维裂隙网络的RQD尺寸效应与空间效应的研究

 岩石质量指标(RQD)是岩土工程与地质工程中的重要概念,在岩体性质分析中起到了重要作用,但RQD存在着明显的尺寸效应与空间效应,这在以后岩体工程设计计算中并没有引起充分的重视。为研究RQD的空间效应,采用三维裂隙网络模拟方法模拟现场真实岩体,并在模型中设立大量测线获取岩体中不同位置的RQD值。结果表明,岩体中不同位置的RQD值并不相同,存在明显的空间效应。为获取可整体代表岩体好坏程度的RQD值,需在大量RQD样本的基础上进行分析。另外,为更好地体现岩体的非均质性,研究不同阈值下的RQD范围,最终确定可充分反映待分析岩体的最佳阈值,为4 m。尺寸效应是RQD参数的重要性质,通过改变测线长度的方法探讨RQD在不同尺度下的变化情况。总结、提出RQD的计算模型与公式,即：A-A模型、T-T模型、A-A-S模型、Priest-Hudson公式与Senz-Kazi公式。分别研究与对比不同模型下RQD的尺寸效应,结果表明,采用A-A-S模型可充分减少尺寸效应带来的RQD的计算误差;当阈值较大时,Priest-Hudson公式与Senz-Kazi公式存在一定的误差,基于三维裂隙网络模拟的方法进行RQD的计算将会更为准确。     

基于数值试验的节理岩体变形特性REV研究

 根据随机节理网络程序,得到多组随机节理岩体数值模型,通过数值试验获得多组随机节理岩体模型的应力–应变曲线。首先在试件尺寸及节理概率分布特征参数不变时,获得在一定围压下试件的应力应变曲线变化规律。然后考虑试件尺寸变化对岩体应力–应变曲线的影响。通过上述2类工况数值模拟结果进行分析发现,试件尺寸小时,变形曲线比较分散,随着尺寸的增大,曲线趋于一致,说明节理岩体变形曲线存在尺寸效应,岩体变形特性的特征尺寸可以由数值试验获得。     

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。