岩石裂隙法向循环加载本构关系试验研究

法向变形对岩石裂隙渗流及应力波传播都有重要影响。在分析岩石裂隙法向变形机制的基础上,结合试验曲线循环滞后及其形状特点,探讨岩石裂隙在法向循环加载下的本构关系。试验得到粗晶及细晶大理岩裂隙岩样的15个循环加、卸载法向应力–闭合曲线。第一循环加载曲线与其他加、卸载曲线明显不同,其拟合曲线单独产生。平移其余加、卸载曲线使其低应力端点通过原点后,采用四参数双曲线–幂函数方程拟合所有曲线。加载累计闭合量和卸载残余闭合量与循环次数存在较好的指数函数关系,可确定循环加、卸载拟合曲线的2个端点;通过初次拟合得到加、卸载曲线幂函数项指数与循环次数的关系,再假定各加、卸载拟合曲线通过循环加、卸载拟合曲线的2个端点,获得幂函数系数的表达式;最后通过2次拟合,先后确定加、卸载曲线最大隙宽及初始刚度与循环次数的关系式。将各循环加、卸载曲线的3个参数拟合值代入双曲线–幂函数表达式,并平移各拟合曲线使其通过加卸载拟合曲线的2个端点,可得到拟合精度较好的连续拟合曲线。研究结果对循环加载下岩石裂隙法向闭合的数值模拟具有一定的实用价值。     

砂岩结构面法向加卸载本构模型研究

鄂西志留系罗惹坪组砂岩结构面法向循环加卸载试验结果表明,在中低法向应力范围内,结构面加载变形曲线呈上凸型,卸载变形曲线呈上凹型,结构面卸载后产生残余变形,形成明显的回滞环。目前已提出的结构面法向变形本构方程都是在试验的基础上总结出的经验方程,因结构面的初始法向刚度和最大闭合变形量难以确定,使模型的计算精度受到一定的限制。因此,针对浅表工程岩体应力状态较低的特性,提出了结构面法向变形的半对数-圆弧线联合本构模型,加载曲线采用半对数模型表征,卸载曲线则采用圆弧线模型表征。其中,半对数函数的模型参数可根据加载试验结果回归分析得出,圆弧线模型方程则由本级加载曲线的起点、终点与卸载曲线的终点三点坐标确定。通过模型计算结果与试验结果对比分析表明,半对数-圆弧线模型计算结果与试验结果相吻合,较好地体现了结构面法向加载曲线为上凸型与卸载曲线为上凹型的特征,重现了卸载-加载过程的回滞圈。新的模型回避了最大闭合变形量和初始刚度的确定难题,并且不需引入新的模型参数,便于实际应用。     

循环荷载下岩体结构面本构关系与积分算法研究

地下结构中广泛存在的各种不连续面是影响岩体工程力学特性的重要因素,研究结构面在循环荷载作用下的力学行为具有重要的工程意义。基于非关联塑性理论,同时定义加载剪胀段和反向剪缩段,建立了岩体结构面剪胀与塑性耦合本构关系;从结构面的基本损伤机制出发,基于拉、剪分离的思路,建立了一类基于能量原理的岩体结构面拉、剪损伤本构模型,该模型基于有效应力空间塑性力学基本原理,定义了岩体结构面拉、剪塑性Helmholtz自由能分量及损伤能释放率,建立了岩体结构面拉、剪损伤破坏准则。针对结构面在循环荷载作用下的强非线性问题,引入算子分解的思想,将弹塑性演化与损伤演化过程分开进行求解,提出了结构面弹塑性损伤本构关系的混合积分算法。分别进行了岩体结构面直剪和循环剪切试验的数值仿真,计算结果与模型试验基本一致,表明该模型在模拟非连续岩体复杂变形方面是合理有效的。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

裂隙岩体非饱和渗流本构关系

基于连续介质的方法，通过裂隙非饱和渗流的二维数值模拟，对裂隙岩体非饱和渗流中应用Van Genuchten(VG)模型和Brooks-Corey(BC)模型进行评价并建立了改进的本构关系。VG模型虽然可以与持水曲线匹配得很好，但是VG模型和BC模型都对相对渗透率估计过低。模拟结果表明：改进的BC相对渗透率-饱和度的关系和VG毛管压力-饱和度的关系结合，可以较好地描述非饱和渗流的本构关系。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

基于均匀化方法的斜交节理岩体复合本构关系研究

将斜交节理岩体作为一种广义复合材料,选取恰当的代表元,采用均匀化技术,建立复合等效本构关系,可预测斜交节理岩体的宏观力学性能。将岩体和节理按两种材料考虑,对地下开洞节理岩体结构进行有限元分析,并与采用复合本构关系的计算进行了比对,得到了令人满意的结果。     

应力空间变换——岩土本构描述的一条新途径

岩土类摩擦型材料的极限状态线限制了岩土体应力状态的变化范围。岩土体应力状态靠近极限状态时，岩土体塑性剪切变形越来越大，趋以破坏，而离开极限状态线时，结果刚好相反，这是岩土次生各向异性的一种反映，从岩土类材料极限状态线导致的各向异性出发，提出了应力空间变换的思想，以重塑土为例，以修正剑桥模型屈服面的中心为映射中心，导出了重塑土的应力空间变换，应力增量变换的公式，并考虑了应力洛德角的影响，通过应力空间变换，为岩土类材料本构描述提供了一条新途径，使屈服面，边界面只能在允许的应力空间中运动（等向硬化或运动硬化），合理地反映了岩土体次生各向异性与应力路径的影响。     

结构用铝合金材料循环加载性能研究

为了能精确描述铝合金结构构件在地震作用下的力学响应和耗能能力,基于结构用铝合金材料,进行多种加载制度下的试验研究,分析其单调性能、循环性能特点,并采用Osgood模型对循环骨架曲线进行拟合,获得三种铝合金材料的骨架曲线关键参数。基于Chaboche循环塑性本构模型,通过试验数据对模型相关参数进行标定,并应用于有限元分析,分析结果与试验结果吻合良好。利用Abaqus软件平台二次开发了能够应用于梁单元进行结构弹塑性分析的单轴双面模型（UTSMP）,并对其正确性以及适用性进行验证。     

混凝土本构关系的边界面模型的讨论

边界面模型是目前少有的几个能描述混凝土在复杂的三轴循环荷载作用下性能的本构模型之一，它具有相对简单，应用方便的优点。为了验证该模型，本文根据现有的边界面模型编制了计算机程序。通过计算结果与实验结果的比较，发现了现有的混凝土边界面模型的一些不足之处。     

循环加卸载下煤的黏弹塑性蠕变本构关系研究

 基于岩石三轴循环加卸载蠕变试验,对试样的蠕变应变进行有效的黏弹塑性应变分离,根据试样的弹性蠕变特性和塑性蠕变特性分别建立相应的蠕变模型,继而得到岩石的黏弹塑性蠕变模型,该模型能较好地描述试样的衰减和稳态蠕变特性。为了能够较好地描述岩石加速蠕变特性,在塑性蠕变模型中引入损伤因素,建立相应的弹塑性损伤蠕变模型,对该模型参数进行敏感性分析,同时给出模型参数确定方法。所建模型黏弹塑性概念清晰,模型参数较少。对煤进行三轴循环加卸载蠕变试验,分析蠕变试验中煤样的弹塑性应变特性以及试样的稳态蠕变速率演化规律,用该黏弹塑性蠕变模型对煤样的三轴压缩蠕变试验结果进行拟合,结果表明,该模型能很好地描述循环加卸载路径下试样的弹塑性加载和弹性卸载蠕变特性。     

循环荷载作用下节理凸起体概化破坏模型及剪切强度计算分析

认知循环剪切荷载作用下节理剪切强度的劣化机制并提出相应的分析模型,是准确评价地震荷载作用下岩体工程安全的重要基础之一。基于不同起伏角度、强度等级的人工节理试样在多种法向应力下的循环剪切试验结果,分析循环剪切的试验曲线特点及表面凸起体的破坏过程和残余凸起体的形态特征,提出表征节理表面凸起体形态变化过程的概化破坏模型。利用提出的破坏模型,分别确定剪胀角与剪胀率、凸起体剪断率以及表面基本摩擦角之间的表达关系;并引入到 Ladanyi-Archambault 剪切强度公式中,建立以剪胀角经验公式和 Ladanyi-Archambault剪切强度公式为基础的节理循环剪切强度公式。最后将部分试样的剪切强度计算值与试验值进行对比,结果表明计算值与试验值总体上吻合较好,高起伏角度节理试样存在一定偏差。     

循环剪切荷载作用下岩石节理强度劣化规律试验模拟研究

 采用水泥砂浆为相似材料,制备5种起伏角度、3种岩壁强度的锯齿型节理试样。利用自行研制的节理循环剪切试验机,对制备的节理试样进行4种法向应力下的循环剪切试验。根据循环剪切试验过程和试验曲线,分析单个剪切循环中应力–位移曲线的峰值强度特点,以 来表示节理在第n个剪切循环中的峰值剪切强度;并进一步定义 = / 为剪切强度比,来表征节理在循环剪切荷载作用下经历一定剪切循环后峰值强度的劣化程度。基于多种条件下的节理循环剪切试验结果和定义的指标,分析峰值剪切强度 随循环剪切周期N的变化规律;并通过对比不同工况的试验结果,分析起伏角度、法向应力、岩壁强度对循环剪切荷载作用下节理强度劣化规律的影响。     

岩石在三轴加卸荷过程中的一种本构模型研究

岩石被视为包含有随机分布、无充填的椭球形微裂纹的各向同性体,岩石变形分解为岩石母体的线弹性变形和微裂纹的变形之和。基于压剪裂纹模型,推导了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形,从而建立了一种岩石三轴卸荷的本构模型。一组石膏模型的三轴实验结果显示,实验数据与理论计算结果能基本吻合。     

充填单节理岩体本构模型研究

根据以往充填节理的直剪试验结果,详细研究充填度对节理力学参数的影响。在分析几种充填节理岩体剪切强度模型的基础上,用经典的弹塑性理论提出充填节理岩体增量型应力与位移的本构模型,特别对节理剪切应力–位移曲线的硬化和软化特征进行研究。通过对比本文模型与已有试验点的剪切曲线,结果表明两者具有较好的吻合性,从而验证本文模型的正确性。     

中应变率下动静组合加载岩石的本构模型

阐述动静组合加载岩石的本构模型研究意义，并对国内外关于岩石动态本构模犁的研究方法进行分类。采用组合模型研究方法，将统计损伤模型和黏弹性模型相结合，分别建立中应变率下二维和三维受静载荷作用岩行在动载荷作用下的本构模型（动静组合加载本构模型）。对一维动静组合加载本构模掣用不同静应力的相关试验进行验证，其结果表明，利用该模型计算得到的本构曲线与试验结果具有较好的一致性。对于三维动静组合加载本构模型，采用动力三轴试验机加围压时对应的岩石动载本构关系进行验证。     

不同频率载荷作用下的岩石节理本构模型

用Instron1342材料试验机对表面含二、三、四锯齿状人工节理试样进行4种不同频率载荷下的动态压缩试验。通过对试验结果的分析,获得加载频率和表面形态对节理闭合变形性质的影响规律。通过5种常用函数方程对节理动态压缩试验数据的拟合,发现用幂函数模型来描述人工节理动态压缩闭合变形性质较好。根据试验数据,得出模型参数与载荷频率之间的关系,从而建立考虑率效应的节理本构模型,并进行试验验证。     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。     

循环荷载下层理岩石的弹性和衰减各向异性

对具有层理的砂岩进行单轴循环荷载实验，研究砂岩层理对其弹性模量和泊松比的影响。实验表明，垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比：衰减正好相反，垂直层理方向的衰减大于平行方向的衰减，而某个倾角层理的弹性模量在垂直层理和平行层理荷载的弹性模量之间，泊松比和衰减也是如此。从弹性系数的坐标变换出发，导出方向性模量和泊松比与岩石垂直层理、平行层理的弹性参数的关系，并用最小二乘法来进行拟合测量数据，以此关系来讨论层理砂岩弹性系数的各向异性程度。这种处理可减少计算得到的各向异性参数的误差，在泊松比计算误差较大的情况下也能得到比较理想的结果。计算表明，本实验砂岩泊松比的各向异性大于弹性模量的各向异性。     

饱和砂土在往复荷载作用下有侧限的本构关系实验研究

为了得到往复荷载作用下有测限的饱和砂土的本构关系,反映非线性和滞回特性并能方便地应用于发生液化的情况,进行了系列实验。实验材料包括4种不同松密程度的细砂,加、卸载路径包括等幅的及不等幅的情况。根据实验数据,得到了以双曲线形式表达的砂土应力-应变关系,包括加载曲线和卸载曲线。