基于能量耗散和声发射的岩石损伤本构模型

为了更好地研究单向受载下岩石的本构关系和损伤演化规律,利用泥岩的单向压缩和声发射试验,分析了岩石的变形特点、能量转化和声发射特征,在此基础上,分别建立考虑能量耗散和声发射的损伤演化方程,提出初始损伤和临界损伤的定义,构建了能够反映岩石压密过程和残余强度阶段的损伤本构模型,并通过单向压缩试验结果对比分析了两种损伤演化规律及理论损伤本构关系。研究结果表明,两种损伤演化规律基本一致,都经历损伤缓慢增加、加速增加和残余损伤3个阶段;材料参数分别影响应力强化、软化和整体应力-应变曲线;两种理论损伤本构关系均较好地反映了岩石的单向受载变形特征,从而证明了所建损伤本构模型符合实际。     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

基于最大能量耗散率的岩爆倾向性指标研究

岩爆倾向性判别为隧洞岩爆风险评价提供了基本依据。在分析岩石单轴压缩各阶段能量耗散演化特征的基础上,提出基于最大能量耗散率(耗散能密度时间导数的最大值)的岩爆倾向性评价新指标,从稳定性判定准则、经验和岩爆倾向性定义3个角度阐明其科学合理性。为定量计算所提指标,建立考虑空隙压密和初始损伤的弹脆性损伤本构模型;为验证指标及损伤模型的适用性,开展4种岩石(玄武岩、花岗岩、灰岩、砂岩)在刚性和柔性压力机下的单轴压缩及循环加卸载试验。最后基于正交试验、相关性分析和极差分析,揭示岩爆倾向性的影响因素及不同指标间的内在关系。结果表明：岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后阶段存在能量耗散率峰值,该值可作为材料固有稳定性指标评价岩爆倾向性,兼顾了岩石的峰前能量储耗特性和峰后特征;所提弹脆性损伤模型较好反映了岩石单轴加载下的非线性力学行为和内蕴能量演化特征,应力–应变和耗散能密度理论曲线均与试验值吻合良好;不同岩石最大能量耗散率与实际岩爆等级一致,证实了所提指标的可靠性;弹性模量、脆性和初始损伤是岩爆倾向性的主要影响因素,最大能量耗散率指标较好体现了岩石脆性对岩爆倾向性的影响,与剩余弹性能指数的相关性最强(相关系...     

砂岩拉伸过程中的能量耗散与损伤演化分析

岩石作为一种非均质的复杂地质材料,其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。借助先进的试验测试系统,可以对岩石进行直接拉伸试验,从而在现有大量压缩试验的基础上进一步完善对岩石基本力学行为的研究。通过砂岩的循环拉伸试验研究发现,拉伸过程中外载所做的总功除了引起岩石弹性变形能的增大外,还有一部分被耗散掉从而导致岩石发生不可逆的损伤。在对能量耗散进行分析的基础上,可以建立岩石的损伤演化方程,并通过试验测定相应的参数指标。试验研究和理论分析表明,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。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

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。     

岩石在冲击载荷下的过应力本构模型研究

 采用分离式霍布金森压杆(SHPB)试验系统对深井软岩材料进行动态力学性能测试,测试的应力–应变曲线表现出显著的塑性变形特性。基于修正的过应力模型本构方程,根据 的变化量与应变率和应变之间的函数关系,采用量纲一化分析法对修正的过应力模型本构方程进行简化,得到简化的过应力模型本构方程;考虑动载作用下损伤对岩石动载强度的影响,将连续损伤理论和统计强度理论引入到简化的过应力模型本构方程,建立简化的损伤型过应力模型本构方程,使得本构模型方程适用于动态全程应力–应变曲线。采用简化的损伤型过应力模型本构方程对实测曲线进行曲线拟合,实测曲线和拟合曲线两者具有很好的一致性。     

岩石变形破坏过程的能量演化研究进展

能量演化贯穿于岩石变形破坏全过程,基于能量角度的岩石强度与变形特性的研究,深入揭示其物理力学本质,并合理搭建理论分析至实际工程应用的桥梁。本文系统总结数十年来国内外对于不同应力状态、不同应力路径和不同加载速率下岩石的静动态能量演化规律和分配关系及尺寸、含水率、孔隙率等因素对其的影响;归纳了基于能量原理的岩石强度准则、损伤演化及本构关系、疲劳寿命预测及岩爆预测等方面的应用成果。并建议把岩石变形破坏能量演化中的微细观机制与宏观力学行为的关联性、能量演化本构理论、工程岩体稳定性、多能量场耦合作为进一步研究方向。     

岩石变形破坏过程中的能量耗散分析

岩石作为一种复杂的非均质地质材料，其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程。采用损伤演化方程可以从宏观上描述损伤变量以及与其相伴的广义热力学力——损伤能量释放率的变化规律。进一步通过细观损伤力学的研究，可以揭示岩石变形破坏过程中能量耗散的内在机制。围绕这一基于能量耗散的岩石力学研究思路及其相关进展，最终将建立基于损伤演化及能量耗散的宏．细．微观多层次耦合的岩石力学体系，这有助于更准确地解决岩石工程领域中更多的力学分析问题。     

基于能量方法的分段曲线混凝土损伤模型

混凝土损伤模型的研究,实际上是研究混凝土材料的本构行为。在外界因素作用下,材料的累积变形引起结构内部损伤发展,最终将产生宏观裂缝直至破坏。根据Najar能量损伤理论,提出新的分段曲线混凝土受压损伤演变方程,并给出不同强度混凝土损伤演变方程。通过计算、对比、分析、认为:建议的损伤模型与已有的混凝土本构模型吻合较好。该方法的优点是参数少,不同强度的混凝土有确定的损伤演变方程,可以动态分析混凝土的累积损伤程度。对比理论计算与试验结果表明,二者吻合较好,可为混凝土结构损伤仿真分析提供另一个解决途径。     

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。     

大岗山花岗岩动态力学特性的试验研究

以大岗山花岗岩为例,分别进行静力三轴和动力三轴试验,分析花岗岩的抗压强度、弹性模量、泊松比以及相应的极限应变等重要参数与应变速率的关系。试验结果表明:不同围压下,随应变速率的增加,花岗岩的侧向破坏应变随应变速率的增加几乎保持不变,并且绝大部分统计结果值在0.002～0.004范围内;轴向破坏应变的增加幅度不明显;抗压强度增加,试验现象明显;弹性模量的提高幅度随围压的增加有减小的趋势;不同围压下花岗岩的泊松比与应变速率没有明确的关系。基于大岗山花岗岩静力三轴测试全过程应力–应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同围压下均以侧向损伤为主,通过回归拟合分析,建立大岗山花岗岩静力三轴压缩条件下的损伤演化方程。进一步根据损伤理论建立岩石动力损伤与静力损伤之间的关系,考虑动态强度与初始弹性模量的率相关性建立经验型的岩石动力损伤本构模型,可以作为研究地震荷载作用下岩体结构中应力波传播和衰减规律的基础。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

GSI围岩评级系统下围岩新型统计损伤模型

为了得到受采动干扰、具有一定结构面的巷道围岩的变形破坏机理,采用GSI围岩评级系统对Hoek-Brown准则进行修正来描述岩石微元的强度,通过组成岩石力学性能参数变量的随机性与复杂性,假设岩石材料的力学性能满足对数分布,结合统计损伤力学理论和有效应力原理,建立不同围压作用下的岩石新型统计损伤模型,对岩石的损伤演化规律和应力-应变关系进行研究。结果表明:通过GSI围岩评级系统改进后的破坏准则与试验数据有更好的一致性、更加符合实际;不同种类岩石在不同围压作用下的模型曲线与试验数据拟合程度较高,也说明该本构模型的合理性与正确性;不同围压作用下岩石的损伤演化规律基本呈现S形变化,可以与围岩应力-应变曲线各阶段的破坏变形进行较好地对应与划分,且描述岩石的损伤演化规律与实际围岩的破坏过程基本一致,对实际工程具有指导意义。     

珊瑚砂微生物固化体单轴损伤本构模型

利用MICP技术固化南海某岛礁吹填珊瑚砂,对固化体试样进行了单轴抗压强度试验,基于损伤力学理论建立了单轴压缩条件下的固化体损伤本构模型。结果表明:利用MICP技术得到的珊瑚砂微生物固化体无侧限抗压强度均大于5 MPa,固化体单轴受压应力-应变曲线可大致分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段与破坏软化阶段。基于连续介质损伤力学理论,假定固化体微元强度服从双参数的Weibull分布,考虑应力-应变曲线特征进行参数简化后建立了单轴压缩条件下的损伤本构模型;模型采用经验拟合方程与损伤本构方程结合的分段函数形式,用试验资料初步验证了模型的合理性。     

循环荷载作用下岩石损伤变形与能量特征分析

针对不同围压作用下的岩石损伤变形与能量特征,开展了循环加卸载试验研究。基于原有损伤变量原理,进行修正,探讨了岩石在不同的偏应力量级下,每次循环的耗散能、损伤变量、塑性变形等与循环次数、应力之间的相互关系;进而,得到了岩石损伤破坏过程中能量的转化规律,从能量损耗的角度定量分析了岩石疲劳破坏的门槛值。试验研究结果表明：①应力水平越高、损伤变量与塑性变形越大,一次循环的能耗值越大,滞回圈的面积也就越大;②在门槛值前后,耗散能、损伤变量与塑性应变随着循环次数的增加变化趋势明显不同,并且在破坏前也呈疏00097;密00097;疏的发展过程;③不同的围压下,岩石疲劳破坏时所处的损伤状态不同,但破坏前循环一次的能耗值与损伤变量近似成线性关系,进而基于循环能耗值与损伤变量建立了能量破坏方程。