基于多级破坏方法确定岩石卸荷强度参数 的试验研究

 根据卸荷路径确定岩石卸荷强度参数时,为避免岩样本身离散性过大对强度的影响,采用了卸荷多级破坏试验方法。将卸荷应力路径与多级破坏方法有机结合,用单个岩样获取多个强度值,然后通过回归确定岩石卸荷强度参数。基于MTS 815.02岩石三轴试验机,研究荷载控制方式下多级破坏试验中峰值判断、破坏状态变形控制等几个问题,并提出相应的解决方案。最后成功开展了大理岩卸荷多级破坏试验,取得了与常规卸荷破坏试验较一致的结果。研究成果表明,卸荷应力路径中引入多级破坏的方法,既考虑了应力路径对强度的影响,又有效避免岩样离散性过大对强度的影响,是一种实用、有效的确定岩石卸荷强度参数方法。     

模拟岩石材料破坏的有限元方法

介绍一种能够模拟岩石材料破坏过程的有限元方法,该方法引入单元分裂和界面分离技术描述破坏引起的材料几何拓扑结构变化,采用接触单元表征破坏界面,借助动态松弛方法完成求解。该有限元方法主要针对岩石材料的张拉和剪切两种破坏形式,通过计算实例验证该方法的适用性。     

一种确定岩石类材料真实应变率效应的数值方法

研究表明,分离式霍普金森压杆(SHPB)试验获得的岩石类材料动态压缩强度随着应变率的增加而提高实际上是由材料本身的应变率效应(称为真实应变率效应)、横向惯性效应和端面摩擦效应共同作用的结果,且这3种效应互相耦合。为了确定岩石类材料在SHPB试验中的真实应变率效应,需要消除横向惯性效应和端面摩擦效应作用引起的动态压缩强度增量。采用数值模拟的方法分析岩石类材料的SHPB试验,并假定材料的真实应变率效应、横向惯性效应和端面摩擦效应三者不相关。当不考虑材料的真实应变率效应和端面摩擦效应时,由数值SHPB试验获得的动态压缩强度随应变率的提高而增大便是仅由岩石试样的横向惯性效应引起的;同样的,当不考虑材料的真实应变率效应和横向惯性效应时,由数值SHPB试验获得的动态压缩强度增加便是仅由岩石试样的端面摩擦效应引起的。在此基础上,从SHPB试验中得到的动态压缩强度数据减去分别由横向惯性效应和端面摩擦效应引起的动态压缩强度增强量,即可获得岩石类材料在SHPB试验中的真实应变率效应。通过与已有研究结果比较验证了本文假设的有效性。     

岩石变形破坏各阶段强度特征值确定方法

岩石各阶段强度特征值的准确确定对合理界定岩石变形破坏阶段、力学机制、设计参数取值具有重要的理论和实践意义。鉴于此,提出试验数据+轴向应变刚度联合确定岩石变形破坏各阶段强度特征值的方法,并结合围压30 MPa砂岩全过程三轴压缩试验数据,详细介绍采用该方法的取值过程,同时对该取值方法进行验证。结果表明:(1)在岩石应力–应变曲线中线弹性特征明显,但线弹性阶段和裂纹稳定扩展阶段的分界点不易被界定;(2)轴向应变刚度能将应力–应变曲线中微小的变化有效显现出来,更利于准确界定岩石变形破坏各个阶段,且可划分为上下不均匀波动、上下均匀波动基本水平、不均匀波动逐步减小至零、极度波动和基本维持为零五个阶段;(3)裂纹的压缩、起裂、扩展、贯通将引起轴向应变刚度出现较大的、不规律的波动;(4)采用该方法确定的压密应力cc?、起裂应力ci?、损伤应力cd?与峰值应力f?的比值分别为:0.10,0.56,0.68;(5)该取值方法理论基础为一阶导数,取值过程客观合理,为理论上定量、操作上半定量的取值方法。结合现代计算机和数据处理技术,能快速实现该方法操作过程,认为该方法可为岩石强度特征值的确定提供新的思路。     

基于Hoek-Brown准则确定岩石材料强度参数的新方法

对Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则关系进行分析,提出基于Hoek-Brown准则的连续非线性黏聚力和内摩擦角计算公式,并对Hoek-Brown参数对强度参数的影响及计算公式的合理性进行讨论。研究表明:参数s较其他参数对内摩擦角φi和黏聚力ic的影响程度小,黏聚力ic随小主应力的增高而增大,内摩擦角φi则随小主应力的增高而减小;采用提出的强度参数计算公式和Hoek等效强度计算公式,对7种具有非线性强度特征的岩块和锦屏二级水电站工程的大理岩岩体的强度参数进行计算,对比分析可见计算公式结果与岩块室内三轴试验和工程岩体现场大剪试验的强度参数试验结果吻合度较高,表明建议的强度参数计算式在估算岩石材料强度参数时具有较高的准确性,对实际工程具有较强的指导作用。     

岩石材料破坏形式的分叉分析

采用不连续发叉理论，分析了轴对称状态下岩石材料的破坏形式，并采用一组大理岩的实验结果进行了模拟计算。分析结果认为，岩石材料在单轴压缩状态下的脆性破坏总是张破裂的，而在常规三轴压缩状态下的脆性破坏是剪切破坏的，并且随着围压的增加，其剪切带方位角逐步降低，破坏形式由剪切破坏逐步向塑性破坏过渡。此外，岩石材料的剪切带分叉发生在峰值应力之后，随围压增加而逐步远离峰值点。     

岩石材料的局部损伤拉破坏

从大量岩石断口的光学显微镜和电镜观察结果表明,岩石的微观断裂,主要是表现为沿晶断裂、穿晶断裂、微孔聚合断裂,有时是以相互偶合的形式,体现其拉破坏的特征.本文从损伤力学概念出发分析岩石的破坏,认为主要是由局部损伤拉破坏造成的,并由此解释了一些宏观现象.     

混凝土材料的真实断裂能研究

在对混凝土断裂面进行测定的基础上提出了真实断裂能的概念,并试验研究了真实断裂能与材料组成之间的变化规律,试验结果表明：真实断裂能几乎不随集料径的变化而变化,随集料品种的变化较小,随小胶比的降低而增大。     

基于损伤断裂理论的岩石破坏机理研究

首先建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,求出裂纹端部的应力分量。然后采用最大周向应力理论（σθ准则）,求出岩石的断裂角,得出断裂角只与裂纹和荷载方向的夹角有关。在压-剪复合应力状态下,裂纹将沿着初始断裂角θ0的方向开始扩展。进而得出岩石的宏观断裂模式,即裂纹的发展形状是折线形的,最终详细地阐述了岩石的破坏机理。     

不同断裂模型在钢结构断裂破坏预测中的比较

为对比分析不同断裂模型在钢结构断裂破坏预测中的适用性,选取3类典型的断裂模型（微孔扩展模型、GTN模型、连续损伤模型）对钢结构的断裂破坏进行预测分析。首先基于试验数据标定了Q345钢材以及焊缝金属的断裂模型参数,然后将这3类断裂模型通过ABAQUS的用户子程序嵌入到有限元分析程序中,最后将这3类模型应用到开孔板以及梁柱焊接节点的断裂破坏分析中。结果表明:3类模型均能很好地预测开孔板和节点裂纹的起始和发展过程;3类模型对于开孔板断裂位移的预测精度相当,但对于相对复杂的梁柱焊接节点,GTN模型对裂纹起始位移的预测精度明显高于其他2类模型。     

岩石剪切模量的确定方法

本文分为两部份。第一部份在野外实测资料的基础上,论述了按现场直剪试验结果推算岩体的剪切模量;第二部份讨论利用地下洞室围岩径向位移推算剪切模量的方法。     

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上，利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起，利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明，基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理；纯Ⅱ型裂纹的断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系（纯Ⅱ型裂纹的起裂角是某个定值时），而与其他岩石力学参数没有关系。     

岩石类脆性材料损伤断裂研究综述

将损伤引入岩石力学领域已经有 2 0多年 ,近年来在国内外都有许多相关的研究 ,本文对此做了简要综述 ,重点介绍了宏观连续介质力学研究中出现的几种具有代表性的描述材料损伤的损伤变量定义和损伤模型 ,并作了必要的评述。综述了材料损伤在宏观和细观尺度上的研究 ,以及宏、细观研究相结合的方法。即损伤、断裂相联合构成的现代破坏力学的概念。认为宏、细观研究结合是研究岩石类材料破坏的前景广阔的发展方向     

强冲击荷载下岩石材料断裂及破碎机制研究

脆性材料如岩石、混凝土和陶瓷等在冲击荷载作用下的动态力学特征及破碎机制研究涉及力学,物理学,航空航天,能源开采和防护工程等多个领域。具体问题如同震作用中的断层泥形成及非对称粉碎化,行星撞击产生的陨石坑,飞行器对空间站的超高速撞击与防护,采矿过程中的矿石破碎尺寸控制,工程爆破过程中的破岩效率提高和灾害防治,炮弹壳体的破碎以及超高速弹穿甲等。岩石材料的静态,动态及动静组合下的力学响应研究已经取得了丰硕成果,相比之下,岩石材料在冲击荷载下的细观断裂机制和破碎特征方面研究还颇为不足。脆性材料在宽应变率尺度上是否存在统一的归一化强度形式?材料的动态力学特性与过渡性破碎现象的内在联系是什么?如何理解缺陷材料在冲击过程中的裂纹成核、发展及交汇对破碎成形的影响?这些问题已经严重地阻碍了我们对脆性材料在极限荷载作用下的认识。针对上述问题,在国家自然科学基金重点项目和国家建设高水平大学公派研究生项目的资助下,(1)研究材料在冲击荷载作用下的力学特征;(2)了解脆性材料的冲击破碎机制两个方面工作为基础,采用室内试验,理论模型和数值模拟开展了强冲击荷载下岩石材料的强度,断裂和破碎特性方面的研究。在力学试验方面,采用霍普金森压杆装置研究了花岗岩石在冲击劈裂下的试验条件和力学特征,提出了动抗拉强度因子在高应变率范围存在Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ个区域,结合高速摄像系统和DIC方法验证了圆盘中心起裂条件;解释了由边界失效引起的Ⅲ区强度异常的原因。通过数字图像处理技术获得连续尺寸范围内的碎块尺寸;对比了传统电测应变法和DIC法测量精度的差异,研究了冲击劈裂试验中的残余动能和能量分布,提出了劈裂→劈裂+压裂→非对称压裂→边界失效冲击破碎演变形式。同时,得到了花岗岩在冲击压缩中存在的Ⅰ,Ⅱ类破坏模式,从断裂强度与应变率、残余应变与断裂应变、耗散能量与应变率的关系讨论了临界应变率的确定方法。结合自主开发的数字图像碎片分析系统研究了不同应变率下的碎片分布和特征尺寸,基于有限长三维柱状模型建立了多重破碎能量模型,成功解释了高应变率下材料灾难性破碎的成因。进一步地采用三轴霍普金森压杆装置研究了不同围压条件下岩石的强度特征和破坏准则。发现当围压一定时,材料的破坏强度随应变率增加逐渐增加,对于不同围压条件,应变率效应基本一致。强度随应变率的变化关系可以近似为线性,归一化强度因子随应变率呈线性增加,同时也随围压增加而增加。在相同应变率范围内的强度随围压的变化关系可以用Hoek-Brown准则解释。结合CT和SEM扫描技术研究了围压状态下岩石的细观破坏现象及三维损伤特征,重构结果显示低围压下的试样破坏主要以平行于最大主应力方向的拉伸裂纹扩展为主,而围压的提高一定程度上增加了剪切滑移的可能性,同时伴随大范围的晶体破碎。在理论模型方面,通过建立压应力状态下岩石动断裂滑移模型研究了脆性材料由于微裂纹扩展引起的非线性应变细观机制及对宏观本构关系的影响;通过提出过渡性压剪裂纹模型修正了传统模型在近端场的误差,结合Freund逼近解提出了统一的幂数型裂纹动态扩展准则,基于Catigiano能量平衡原理推导了矩阵形式的非线性应变计算公式。分析了微裂纹在压剪过程中的闭合、线性滑移、自相似扩展以及翼裂纹弯折等阶段的力学机制和影响因素。进一步拓展至考虑裂纹相互作用的裂隙岩体模型,讨论了归一化无量纲应变率模型和特征参量的物理意义。在数值模拟方面,考虑到试验技术和理论分析对研究多尺度非均质岩石冲击损伤行为问题的不足,提出基于岩石真实细观结构建模的多尺度离散元方法,通过建立不同断裂模型考虑了晶体边界的弱化作用,同时借助FPZ模型描述了晶体内部的穿晶破坏形式。考虑晶体破坏特征的GBM更能真实反应岩石的微观力学特征,在应力应变行为和微破裂方面很好地模拟了花岗岩试验结果。创新性地结合纳米压痕技术获得不同矿物成分的细观力学参数,提出了推荐性离散元标定方法,简化了GBM的标定程序,很大程度上提高了GBM的适用范围。最后将其应用于研究岩石率效应机制、动态破碎及多尺度损伤研究。发现岩石裂纹起裂和损伤应力阈值在裂纹体应变变化和声发射破裂等行为上表现出相似性。动载荷作用下的损伤演化与静载荷作用下的损伤演化有明显的不同。在动载荷作用下,Weibull分布表现出较宽的形状尺寸和较大的平均尺度。微裂纹从晶间断裂向穿晶断裂的转变导致了不同的宏观破坏特征。单个断裂或轻微碎裂的试样是由断裂面与以晶间断裂为主的分支裂纹共同形成。相反,粉碎状破裂的岩石是穿晶裂纹聚集在裂缝表面周围的结果,进而形成大范围剪切带。细观尺度上的沿晶破裂向穿晶破裂转换被认为是应变率效应机制和冲击粉碎化破碎的根本原因。     

岩石临界CTOD的确定及失稳断裂过程区的研究

通过对花岗岩、大理石的三点弯曲预制缺口梁的断裂力学研究,成功地揭示了主裂缝随载荷增加而延伸变化的规律以及微裂缝区的形成过程与载荷之间的关系等。同时测出了临界ＣＴＯＤ值,进行了ＣＯＤ裂纹宽度和岩石晶粒尺寸对断裂过程区特性的研究。     

含软弱夹层岩石材料的损伤破坏过程

对含软弱夹层的岩石材料损伤破坏过程进行了试验观测和计算模拟研究。试验所用岩石材料为房山大理岩，平板状试件中心预制的割缝用较大理岩软弱的水泥砂浆充填。对试件受单轴压缩过程中，岩石材料和充填水泥沙浆中微裂纹的萌生、扩展、连通和闭合等过程进行了观测分析及显微照像。用NOLM程序中的低抗拉应变软化本构模型对试验结果进行了有限元模拟计算。计算中，试件的几何形状与试验所用的完全相同，岩石材料的强度取为填充材料的5倍，加载采用试件的一端固定另一端逐步增加位移的办法来实现，由位移值反算出对应的远场单轴压缩载荷，将计算结果与试验观测结果进行对比，吻合较好。与野外观测相比，填充割缝能够更好地模拟实际的地质构造现象。     

岩石材料的非线性强度与破坏准则研究

将三维应力条件下岩石材料的非线性强度特性,分解为偏平面上的非线性与子午面上的非线性,在偏平面上研究中主应力效应,在子午面上研究静水压力效应,以及中主应力与静水压力的耦合效应。通过八面体面外法线方向与空间滑动面外法线方向二者之间的线性插值,提出统一强度理论的物理模型,每一种材料对应于一个特定的剪切破坏面,进而建立广义非线性强度理论,该理论具有明确的物理模型、清晰的物理概念,4个相互独立的材料参数均具有明确的物理意义,在主应力空间的强度面连续光滑。通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可较好地描述不同类型岩石材料的非线性强度特性。基于广义非线性强度理论提出2种变换应力空间,将广义非线性强度理论分别变换为2个新空间中的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可以在变换应力空间中以Drucker-Prager准则、Mohr-Coulomb准则的形式应用。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

岩石类材料压缩断裂路径的流体力学模拟

根据不可压缩粘性流体的模态速度场与平衡条件下弹性固体的位移场之间的对应性原理。推导了以流函数表示的弹性固体应力场公式，并证明了流线与主应力迹线之间的等效关系，利用茹柯夫斯基变换，给出了平板绕流问题的流函数解，并以此为基础，预测了岩石类材料压缩断裂路径的扩展规律，取得了与实验观察相一致的结果。