冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的研究

 针对寒区工程结构的冻融受荷岩石,提出冻融损伤、受荷损伤与总损伤的概念,拓展损伤变量的内涵;以岩石的初始损伤状态为基准状态,充分考虑岩石细观结构的非均匀性,运用损伤力学理论及推广后的应变等价原理,建立冻融受荷岩石损伤模型;通过损伤变量及本构方程来描述岩石材料细观结构的损伤演化及其宏观损伤行为,与岩石实际冻融破坏情况符合较好。研究结果表明：寒区工程结构的受荷岩石,其力学性能由冻融因子、荷载因子及其耦合效应所决定;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并表现出明显的非线性特征,而其耦合效应使总损伤有所弱化;岩石的岩性和初始损伤状态确定各影响因素的权重,表现出不同的损伤扩展特性;相比而言,砂岩对冻融循环更敏感,而受荷损伤最终导致页岩破坏。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。     

应力–冻融耦合作用下砂岩变形与损伤特征研究

寒冷地区工程岩体承受应力和冻融循环的共同作用。在长期应力–冻融耦合作用下,岩石力学性能会产生显著弱化,造成工程岩体灾害。为了研究应力–冻融耦合作用下砂岩的变形和宏细观损伤特征,首先采用砂岩试样开展冻融循环试验,研究无应力作用下砂岩冻融循环过程中的冻融变形规律。然后提出一种基于颗粒流和颗粒膨胀的岩石冻融循环数值模拟方法,并采用该方法开展应力作用下岩石冻融循环数值模拟,研究轴向应力作用下岩石冻融过程中的变形和破裂演化规律。研究结果表明：无轴向应力时,随着冻融循环次数的增大,砂岩的轴向和径向应变先增大后基本保持不变;冻融循环过程中砂岩试样轴向和径向应变存在显著差异,试样径向应变大于轴向应变,砂岩试样轴向和径向应变的差异随着冻融循环次数的增多先增大后减小;轴向应力不为0时,试样轴向应变随冻融循环次数的增大逐渐减小,径向应变随冻融循环次数的增大逐渐增大;在冻胀力作用下,试样表面附近的裂纹密度大于试样内部的裂纹密度;冻融循环过程中,轴向应力会抑制裂纹沿与试样轴线夹角较大的方向起裂和扩展;冻融循环过程中,试样内的破坏以拉伸破坏为主;基于颗粒流和颗粒膨胀的数值模拟方法能够较好的模拟冻融循环过程中砂岩的...     

冻融–受荷协同作用下砂岩细观损伤演化CT可视化定量表征

冻融循环是导致寒区受荷岩石发生加速风化破坏的重要因素，而精细化认知冻融–受荷协同作用下砂岩损伤演化及内在机制，对于准确理解寒区岩石全过程损伤特性具有重要指导价值。开展冻融–受荷协同作用下砂岩损伤过程原位CT实时扫描试验，基于CT图像交互式阈值分割和三维孔隙结构模型重建方法，实现单轴压缩过程中冻融砂岩内部孔(裂)隙演化的精细化识别和可视化定量表征，并运用格子玻尔兹曼法进行冻融–受荷协同作用下砂岩孔隙结构连通变化的三维模拟，明确冻融–受荷条件下砂岩细观结构损伤演化规律。结果表明：(1)冻融砂岩孔(裂)隙结构损伤具有连续演进特征，但损伤演化速度存在突变现象，其中，孔(裂)隙的体积陡增可作为岩样临兆破坏信号。(2)区别于常规加载作用，冻融后砂岩单轴压缩破坏由单一贯通剪切面的破坏向拉–剪混合破坏转变，且破坏面数量随冻融次数的增加而显著增多。(3)岩样孔道数目随冻融次数增加而增加，且隙间连通性趋于增强；试样的最大孔隙半径、孔道数目、最大孔道半径、孔隙度等随荷载的增加而变大。冻融–受荷协同作用下砂岩压缩破坏系孔隙与孔道持续错动、扩展的累积效应的结果。(4)低次冻融循环砂岩受荷破坏后，内部孔(裂)隙结...     

冻融环境下不同饱和度砂岩损伤演化特征研究

为探究冻融环境下不同饱和度砂岩的损伤演化规律,通过冻融循环、CT扫描和单轴压缩试验,结合三维可视化软件及分形理论,对冻融过程中自然含水、不完全饱水和完全饱水砂岩的孔隙率、渗透率、孔喉参数、分形维数及宏观力学指标的演化过程进行定量分析。结果表明:(1)冻融作用下含水饱和度决定了岩样冻融损伤的程度,完全饱水砂岩损伤劣化最为剧烈,自然含水状态损伤程度最低,饱和度是造成岩石冻融损伤的主因;(2)完全饱水砂岩细观结构具有高度非均质性,其孔隙率、渗透率、孔隙参数、喉道参数及分形维数均随冻融次数增加呈指数型增长,自然含水和不完全饱水状态呈直线型增长,孔隙率、渗透率均与分形维数成正相关,冻融损伤为产生小孔隙和增加原喉道长度;(3) 3种含水状态砂岩强度、弹性模量随冻融次数增加均呈直线型降低,150次冻融后,完全饱水岩样强度下降了98.53%,分别是自然含水、不完全饱水的1.68和1.26倍,宏观力学强度与孔隙率、分形维数成负相关,岩石细观结构是影响宏观力学特性的关键;(4)初始冻融荷载损伤变量即为对应冻融次数下的冻融损伤变量,损伤演化曲线有明显的阶段特征,加载过程中损伤变量由下凹形上升到上凸形增长再到平缓增加。研究成果将为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。     

冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究

开展宏细观尺度的岩石损伤演化规律是评价冻岩力学性质劣化过程的基础。以含开口裂隙砂岩为对象,从开口裂隙体积的角度,基于称重法提出宏观损伤变量的计算方法;结合长期冻融循环下岩样成分及物理力学性质变化特性,对张开孔隙率之差进行了合理修正,由此得到冻融作用下的细观损伤变量;考虑荷载作用下初始孔隙、裂隙压密的特点,采用统计损伤力学理论,建立荷载作用下细观损伤变量计算模型;并通过基于Lemaitre应变等效假设的宏细观总损伤计算方法,计算得到宏细观耦合总损伤;根据推广后的应变等价原理,构建了考虑初始压密段影响的总损伤本构模型。为了验证模型的合理性,采用预制的含0°,30°,45°,60°,90°倾角的裂隙砂岩岩样和完整砂岩岩样,开展多次冻融循环后的物理力学性质试验。研究结果表明：冻融循环次数较少时,冻融损伤变量增长较快,冻融损伤变量随循环次数的增加逐渐趋于稳定并缓慢增加;裂隙倾角对砂岩岩样内部微孔隙、微裂隙的扩展影响表现为损伤变量的增速不同,含45°倾角岩样的冻融损伤变量增速最大,冻胀力引起含45°倾角岩样的微孔隙、微裂隙扩展速率最快;细观总损伤模型和宏细观耦合总损伤模型曲线演化规律趋于一致,冻融...     

冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究

针对寒区岩体工程中岩石的冻融问题,选取砂岩为试样,通过进行室内冻融循环试验、扫描电子显微镜观测和三轴压缩试验对砂岩质量损失、微观结构和力学特性进行了分析。然后基于Lemaitre应变等效假设理论,通过引入能够反映岩石冻融破坏过程中的细观冻融损伤变量和力损伤变量来描述岩石材料的劣化程度及损伤演化规律,并采用连续损伤力学理论,建立了冻融与围压耦合作用下岩石的损伤演化方程及细观损伤本构模型。采用理论推导的方法得出所需的模型参数表达式,最后利用冻融岩石的三轴压缩试验数据对该模型的合理性和准确性进行了验证。将试验曲线的峰值点与模型理论曲线的峰值点进行对比,结果表明两者吻合度较好,该损伤本构模型能够较好地反映岩石三轴压缩过程的应力-应变峰值特性,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性与可靠性。该模型拓展了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤模型,进一步的揭示了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤机制和破坏规律。     

冻融环境下红砂岩三轴蠕变特性及其模型研究

为研究寒区岩体工程在冻融循环与长期荷载耦合作用下的时效力学特性,对不同冻融循条件下的饱和红砂岩进行分级加卸载三轴蠕变试验,研究冻融循环对岩石蠕变特性的影响。结果表明:冻融循环对红砂岩蠕变变形的影响与加载应力水平有关。低应力水平下,岩石黏弹性应变随冻融次数的增加近似线性缓慢增长;而高应力水平时则呈非线性增长;黏塑性应变随冻融次数的增加均呈近似线性增长,第四级加载应力水平(70%σ_c)为红砂岩蠕变变形特征的分界点。红砂岩稳态蠕变速率随冻融循环次数的增加呈指数型增长。根据红砂岩蠕变试验结果,建立考虑冻融循环作用影响及蠕变损伤的冻融-损伤蠕变模型,得到三维应力状态下岩石蠕变本构方程;对模型进行验证及参数识别,理论值与试验值吻合较好;分析了冻融循环作用对模型参数的影响。研究结果为寒区岩体工程的建设及长期稳定性分析提供理论依据。     

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

博士学位论文摘要：我国是寒区面积分布最多的国家之一，随着寒区建设工程的日益增多，出现了大量的冻岩问题，而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题，本文以实验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的方法，系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性，并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系， 最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景，建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型，采用有限元方法，进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下： （1）首先，从工程现场取2种典型岩石，进行不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和与干燥）下的单轴压缩和三轴压缩实验；然后，分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律，应力-应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度随温度的变化关系，并给出了相应的拟合关系表达式；最后，进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试，并给出了波速、导热系数与温度的关系。 （2）对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验，分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式；并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验，记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律，分析这2种岩石的冻融耐久性，并对实验结果进行数据拟合，得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 （3）以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据，从宏观损伤力学理论出发，将岩石的损伤分为2个阶段：第1阶段为冻融引起的损伤，第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤，从而建立2个阶段的损伤演化方程，推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系，根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线，并与实验曲线进行对比。计算结果表明，所建立的模型可靠，为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。 （4）根据孔隙介质的对流换热理论，建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型，并运用多场耦合有限元计算程序，计算2个工程实例：其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题，验证所建立的数学模型的可靠性；其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际，考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下，计算30a围岩温度场与渗流场的分布变化规律，指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。 （5）针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况，引入所建立的岩石冻融损伤力学模型，将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数，以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础，建立冻融裂隙岩体温度-渗流-应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法，以昆仑山隧道进口160m的DK976＋410断面围岩-衬砌系统为对象，进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算，分析围岩-衬砌系统在施工完毕及运行30a后的温度、应力及位移的变化规律，并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。     

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。     

岩体冻融疲劳损伤模型与评价指标研究

 岩体冻融损伤模型与评价是研究岩体经历冻胀力萌生、发展与消散反复作用后物理力学性质劣化的主要内容,现有对岩体冻融循环后的损伤评价指标主要有孔隙率、纵波波速、静动弹性模量等物理参数。冻胀力对于岩体可等效为三轴拉伸应力,首先基于三向等效拉应力建立岩体冻融疲劳损伤模型,该冻融损伤演化方程与单轴循环拉应力下的疲劳损伤方程虽然具有同样的形式,但物理意义不同。基于动弹性模量的定义,以孔隙率和纵波波速为参变量推导出了统一的损伤变量表达形式,该损伤变量不仅考虑了双物理参数的影响,还能对不同冻融循环次数下岩石的单轴抗压强度进行较好预测,可作为岩体冻融损伤的评价指标。定义动弹性模量损失40%为岩石冻融破坏临界值,利用该临界值可避免通过试验确定最大冻融循环次数,进而结合统一损伤变量对冻融疲劳损伤演化方程进行求解,最后通过2个实例说明该冻融疲劳损伤模型与评价方法的正确性和实用性。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

Responses of jointed rock masses subjected to impact loading

Impact-induced damage to jointed rock masses has important consequences in various mining and civil engineering applications. This paper reports a numerical investigation to address the responses of jointed rock masses subjected to impact loading. It also focuses on the static and dynamic properties of an intact rock derived from a series of laboratory tests on meta-sandstone samples from a quarry in Nova Scotia, Canada. A distinct element code (PFC2D) was used to generate a bonded particle model (BPM) to simulate both the static and dynamic properties of the intact rock. The calibrated BPM was then used to construct large-scale jointed rock mass samples by incorporating discrete joint networks of multiple joint intensities into the intact rock matrix represented by the BPM. Finally, the impact-induced damage inflicted by a rigid projectile particle on the jointed rock mass samples was determined through the use of the numerical model. The simulation results show that joints play an important role in the impact-induced rock mass damage where higher joint intensity results in more damage to the rock mass. This is mainly attributed to variations of stress wave propagation in jointed rock masses as compared to intact rock devoid of joints.     

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。