一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构模型

阐述一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构模型研究的意义。采用组合模型研究方法,将岩石单元看成一个弹性元件和一个黏性元件串联后与损伤体Da1并联,最后与损伤体Da2串联,构成岩石单元组合体力学模型,推出一维高应力及重复冲击共同作用下岩石的本构方程。针对建立的本构模型,设计矽卡岩、蛇纹岩在一维高应力及重复冲击共同作用下的岩石力学试验,试验结果得出,峰值应力前动态应力–应变曲线变化的趋势一致,没有压密阶段,仅有弹性阶段、非线性变形阶段,峰值应力后出现回弹、不回弹2种现象。借助试验结果对建立的本构模型进行验证,结果表明建立的本构方程的拟合曲线和试验曲线具有很好的一致性。     

大理岩卸荷条件下弹黏塑性本构关系研究

 利用TLW–2000型岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩进行恒轴压分级卸围压应力路径下的三轴流变试验,得到轴压恒定、不同围压下的应力–应变–时间曲线。根据卸荷应力路径下锦屏大理岩的流变变形特点,以Cristescu本构模型为基础,通过试验结果确定模型参数,并在模型参数的确定过程中考虑卸荷应力路径的影响。所建模型克服了三维元件组合模型不能考虑应力路径影响以及不能很好反映侧向流变变形规律的缺点。最后,用该模型对流变试验数据进行拟合,结果表明：该模型可以很好地描述卸荷应力路径下大理岩的整体变形随时间的变化规律。     

考虑扩容碎胀特性的岩石本构模型研究与验证

 高应力卸荷条件下岩石扩容碎胀非连续变形行为研究对揭示深部巷道围岩稳定性演化及控制机制,分析预测围岩稳定性具有至关重要的意义。为此,依托室内岩石三轴卸荷试验,首先研究全应力–应变曲线各特征应力值随围压变化的演化特征,提出岩石进入峰前损伤扩容与峰后破裂碎胀阶段的临界条件准则,并考虑扩容碎胀破裂演化过程中岩样力学性质劣化规律,建立描述卸荷条件下岩石损伤扩容和破裂碎胀演化机制的本构模型,采用VC++编程语言将该模型嵌入到UDEC软件中,实现其非线性数值计算功能。同时,通过室内岩石试验曲线的模拟拟合,表明该模型在描述岩石扩容碎胀特性方面的合理性。最后,将该模型应用于一典型深部巷道围岩破损区分布的模拟研究中,通过与经典模型的对比分析,验证该模型在工程应用方面的可行性,并有针对性地提出深部巷道稳定性分析与维护的合理化建议。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。     

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石变形局部化分析及其应力-应变全过程研究

岩土工程的开挖卸荷往往产生拉应力，因此研究单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石的变形局部化和全过程应力．应变关系具有重要的理论和现实意义。利用损伤力学理论研究了岩石在线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落、应变软化阶段的拉伸应力．应变关系，并分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果的对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力–应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

围压影响的盐岩压缩力学特性及非线性本构模型

为了更准确地描述盐岩的力学特性,对盐岩开展多组单轴、三轴压缩试验。根据试验结果,多组试验数据得到的莫尔包络线具有非线性特征,并且盐岩力学特征对围压有很强的相关性。单轴及低于5 MPa围压时盐岩应力应变关系曲线表现弹性、应变硬化、软化3个过程,而当高于5MPa围压时盐岩延性特征显著,应力应变曲线硬化阶段比例加大,扩容点前移,而软化过程有一定程度的减弱。基于Hoek-Brown准则的软化模型将应力应变曲线峰前阶段改进为弹性非线性弹性模型,得到一种新的非线性本构模型。结果表明这种非线性本构模型可以很好地吻合不同围压作用的盐岩应力应变曲线。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力–应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同,研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力–应变关系,包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现,岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小,且卸荷破坏时的变形比连续加载时大,其主要原因是卸荷时存在裂纹张开,裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少,岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性,该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

基于应变强度理论的岩石疲劳损伤本构模型

针对岩石疲劳损伤的本构模型问题,通过分级加卸载试验。根据所得到应力应变曲线,分析其疲劳特征,根据应变强度理论,建立岩石疲劳损伤本构模型;使用Levenberg-Marquardt算法拟合得到本构的参数值,并对参数演化进行分析。研究表明:(1)随着试验进行,岩石残余应变逐渐累积,应力应变曲线和滞回环位置逐渐右移;(2)拟合参数与应力峰值有关,呈现有规律的变化;(3)根据应变强度理论建立的疲劳损伤本构模型能够较好地描述岩石在加卸载情况下的应力应变变化关系。     

中低围压下细观非均匀性岩石本构关系研究

研究了中低围压条件下细观非均匀性岩石的变形局部化问题和全过程应力应变关系。研究表明,全过程应力应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的重要区别。通过和实验对比分析验证了模型的正确性和有效性。     

锦屏水电站大理岩加卸荷本构模型研究

以锦屏水电站深埋引水隧洞开挖稳定分析为背景,开展大理岩加卸荷变形特性试验,发现无论加载还是卸荷破坏,大理岩试件破坏前都经历显著的体积膨胀过程.从描述岩石体积变形规律的角度出发,在对Weng模型改进的基础上,建立锦屏大理岩加、卸荷本构模型.研究结果表明:模型计算结果与试验结果具有较好的一致性,能较好地描述大理岩加、卸荷体积变形特征.模型可以考虑岩石加卸荷强度特性的差异,能够描述从轴向压缩状态开始卸荷的情况,具有较为广泛的适用性.     

孔径变形法测试地应力弹性模量参数选取分析

 随着大型水电工程和地下空间工程建设的发展,势必会加大研究岩体的应力测量技术及应力对工程岩体、工程建设的影响。以黄登水电站坝区岩体地应力测量为背景,通过岩芯围压试验、室内岩块压缩变形试验等方法测试弹性模量,其测试成果在各种试验中有很大的不同,因此采用岩石损伤力学、高围压下岩体特性等理论对该现象进行分析;同时,根据卸荷岩体特性对地应力测试中应力解除过程进行分析,确定扩容对地应力测试的影响。研究结果表明,随着围压的增加,岩体弹性模量可能出现正增长关系,主要原因是岩体裂隙的压紧导致结构的致密;岩体在卸荷的情况下会出现一定程度的扩容;同时,机械振动势必也加大扩容对于变形的影响。考虑上述因素,提出黄登水电站地应力测试中弹性模量的选取原则,该方法可为类似工程提供一定的参考价值。     

循环载荷下岩体能量特征及变形参数分析

 以RMT–150C岩石力学测试系统为平台,进行不同应力水平和加载速率条件下不同种类岩石材料的循环载荷试验。在对加、卸载应力–应变曲线进行分区的基础上,定义卸载过程中的能量消耗率,探讨岩石损伤破坏过程中能量的转化,同时定量分析弹性模量,泊松比和残余应变等变形参数的变化规律。研究结果表明：应力水平、加载频率越高,岩性越强,则滞回圈的面积,加载过程中做的功,卸载过程中释放的弹性能越大,岩石越软,能量消耗率越高;岩体未到达峰值抗压强度前,应力水平越高,弹性模量就越大,这说明在岩体抗压强度范围内,越高的载荷下,空隙和微缺陷被压密后,岩体相同载荷增量下的变形能力明显减弱。同时分析认为：频率升高到一定程度会导致疲劳强度的降低。整体而言,岩石轴向及横向相对残余应变均随着循环次数的增加而逐渐减小。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

不同加、卸载条件下片岩的变形特性试验研究

对丹巴电站调压井围岩的片岩试样进行了加载试验和卸荷试验研究,分别分析了常规三轴试验及加轴压卸围压、以相同速率同时卸轴压与围压的3种加、卸载方式下的应力-应变关系及整个加、卸载过程中变形参数的变化规律,分析表明:片岩在卸荷条件下表现出明显的脆性破坏特征,而且有强烈的扩容现象,卸荷条件下岩石的破坏也是由于扩容所引起的;卸荷会造成岩体变形模量迅速减小、泊松比迅速增大;试验采取的两种卸荷方式与常规三轴相比较,岩石试样从受力至破坏的整个过程中其变形模量和泊松比的变化趋势有明显的不同,尤其是在相同速率同时卸轴压与围压的卸荷方式对岩石的变形参数影响很大。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

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。     

大岗山水电站坝区岩体的刚性承压板试验研究

 压板试验是承一种应用广泛的测定岩体变形参数的现场试验方法,根据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院在大岗山水电站坝区现场进行的直径达1 m的刚性承压板变形试验资料,详细介绍试验点岩体的加卸载变形关系曲线,根据推导的深部岩体压缩变形公式,计算出了坝址区左右岸试验点岩体的弹性模量、变形模量和等价变形模量等变形参数。通过回归分析,获得坝区试验点岩体的声波波速与变形模量的回归经验方程和高度显著的回归拟合曲线。现场承压板试验的计算分析结果表明：坝区左右岸辉绿岩脉地层的变形参数较小,岩体的压缩变形主要集中在辉绿岩脉软弱夹层上,右岸试验点岩体的变形参数总体小于左岸。这些试验分析结果为有效揭示坝区岩体力学参数的变化规律提供了重要依据。     

Computational method of large deformation and its application in deep mining tunnel

The characteristics of deep rock mass, such as the elastic resilience, creep, stress release, expansion, dilation and the long-term strength, are of great importance to the rock mass deformation and failure mechanism. However, there is not yet a constitutive model which can describe all these properties of the deep rock mass. The proposed dynamic failure constitutive model in this paper analyzes the elastic resilience and the dilation deformation of the surrounding rock mass during the unloading process, and the pre-peak (elastic and internal frictional hardening stages) and the post-peak(softening and residual failure stages) stages are also taken into account. A computational software has been coded based on the dynamic explicit finite element method. The constitutive model has also been implemented into this software. The complete stress–strain relation using the new model in numerical unloading test was obtained. The sensitivity of the parameters of the dynamic failure constitutive model has also been analyzed. Based on the long-term monitored data for Zhuji coal mine, the parameter inversion of the two different sections of the piebald mudstone has been conducted with the nonlinear least square method. Further, the whole process simulation of the deformation of Zhuji coal mine has been performed with the inversed parameters. A high degree of agreement on the deformation has been achieved by the comparison between the calculated and the measured data in actual engineering project.     

破裂岩石力学模型探讨

岩体是被地质构造弱面切割的地质体,它的特征是不连续、不均质和各向异性。用完整岩石试件在常规压力机上所获得的试验结果,不能很好地代表岩体的工程性质。但是,利用刚性很大的压力机对完整及破裂岩石作试验所获得的应力-应变全过程的后部份,以及循环加载-卸载曲线,在力学性质及破裂发展过程等方面,都与工程岩体十分相似。本文根据作者对多种岩石获得的应力-应变全图及循环加载-卸载试验结果,提出两种变参数单元模型,即变弹性模量的虎克体和变屈服极限的圣维南体,并由此而组成四种模拟破裂岩石的力学模型,导出相应的本构方程。根据岩石应力-应变全过程的试验结果,可以求出本构方程中的有关参数。通过模型与试验结果的对比,证明了模型的可用性,为今后讨论破裂岩体的稳定性及其支护分析提供了参考模型。