等围压条件下岩石本构模型及损伤特性

为了揭示岩石变形破坏的全过程,将连续损伤理论与非平衡统计方法相结合,建立了等围压作用下岩石的损伤本构模型,推导了模型参数与岩石变形破坏特征参量的理论关系,分析了砂岩以裂纹为主导的变形破坏过程.结果表明:岩石损伤细观上表现为原始微裂纹的扩展贯通,其宏观力学特性取决于岩石内部的细观力学响应;随着轴向应变的增加,岩石损伤经历演化、稳定扩展、损伤加速,直至产生破坏;随着围压的增加,砂岩的损伤劣化程度减小,损伤演化率逐渐降低,宏观上表现为岩石平均强度的增大和塑性的增强.通过试验结果验证,损伤本构模型合理可行.     

水泥土材料的细观损伤机理

为了研究水泥土的细观损伤机理,在中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室进行了一系列水泥土细观力学试验.基于细观力学实验结果,分析了实验进行过程中水泥土细观实时图像的表面变化以及水泥土应力-应变关系曲线的突变特征,探讨了水泥土的细观损伤破裂机理.结果表明：水泥土材料的结构组成具有不均匀性,且有初始损伤存在.在荷载作用下,材料的破坏是由其内部细观尺度的损伤演变并发展的,最终汇聚成宏观裂纹,宏观裂纹进一步扩展导致材料强度丧失、结构破坏.用细观力学和损伤力学基本原理来分析水泥土的承载性状及在第一承载阶段的损伤演变情况,可评定材料的承载能力及其工程结构的可靠性.     

大理岩预制裂纹试样细观损伤试验研究与分析

基于SEM的大理岩试样细观损伤全程跟踪试验方案,选取四川锦屏二级引水隧洞围岩大理岩试样进行试验观察．利用扫描电镜拍摄大量不同荷载作用下的细观损伤演化图像,从中选择有代表意义的图像进行损伤破坏特性分析．研究结果表明,由于应力集中的影;向,预制裂纹大理岩试样在加载初期产生与预制裂纹垂直的微裂纹;随着荷载的增加产生大量的拉裂纹及分叉裂纹,裂纹的扩展方向逐渐向加载轴方向转动;由于初始损伤和损伤的不断积累,压剪作用对岩石的破坏起控制作用,并形成剪切破坏面．     

冲击荷载下混凝土破坏过程的数值模拟

目的 探究冲击荷载作用下混凝土内部真实的破坏机理以及在不同应变率下混凝土强度随应变率的变化规律.方法 基于离散单元法,采用细观二维梁-颗粒模型BPM(Beam-Particle Mode in Two Dimensions)模拟了三种不同应变率下混凝土材料的动态响应.结果 从混凝土破坏图形可以看出.冲击荷载下混凝土的破坏过程实际上是混凝土内部的原生裂纹的激发、扩展、贯通直至整体结构的破坏.从混凝土应力-应变曲线可以看出.混凝土是率敏感性材料,其峰值应力和应变均随应变率的提高而增大.结论 模拟结果和试验结果在达到峰值应力前的曲线基本吻合,说明梁-颗粒模型可以用来模拟混凝土在冲击荷载下的动态破坏,其结果是可靠和准确的.     

损伤石灰岩单轴再加载力学特性及破坏机理

为研究卸荷损伤破坏围岩力学特性及破坏机理,选用RMT-150岩石力学试验系统进行三轴岩石加载-卸载过程,制备损伤岩石。结合AEwin声发射系统开展损伤石灰岩单轴再加载试验,测试应力-时间-能量累计值关系曲线,分析阐述岩石宏观破坏特征。结果表明:随着卸荷点的增加,损伤石灰岩破坏程度与破坏形式均发生较明显的变化。石灰岩破坏形式从脆性破坏向延性破坏转化,扩容现象越来越不明显;低于70%峰值强度卸荷点的损伤岩石单轴加载过程中声发射能量累计值增长规律趋于一致,可分为平稳阶段、稳定增长阶段、二次平稳3个阶段;岩石内部微裂纹分布方式对宏观破坏特征影响明显,岩石细观力学响应决定其宏观力学破坏特征。     

冻融受荷岩石唯象损伤扩展特性探讨

针对工程地质和岩土工程中所涉及到的冻害问题,从细观力学机理出发,将冻融循环次数及应变和岩石的损伤变量联系起来,得到宏细观相结合的冻融受荷岩石损伤演化方程及损伤扩展本构关系;对冻融荷载作用后的岩石进行唯象损伤扩展特性分析.研究发现:岩石的冻融损伤是一个疲劳损伤破坏过程,在寒区岩体工程设计和施工中,必须考虑冻融损伤的影响;寒区工程结构受荷岩石的岩性、初始损伤状态及力学性质的不同,造成冻融循环和荷载对损伤扩展的影响差别非常大,并表现出终态的宏观差异.     

钨基复合材料抗热震性能的宏细观力学分析

从材料设计的思想出发,采用宏观与微观、材料科学与力学相结合的方法,对钨基复合材料的热传导行为,材料在热冲击载荷下的内部热应力场及材料细观结构的破坏行为进行了详细的理论研究,根据钨基复合材料的细观组织结构建立了材料细观模型,在宏观分析的基础上,分析了材料微结构内部的破坏行为,分别取试件心部与边缘主应力值最大点的应力状态,施加在所建立的模型上,用有限元方法计算了模型内部的弹性应力场。结果表明：试件主应力最大值首先产生在试件内部,此时,如果材料发生破坏将先从夹杂中开始;加热一段时间后试件中的最大主应力值转移到试件边缘,此时材料发生破坏将先从基体中开始。     

围岩-充填体组合承载宏细观损伤演化机理

充填体与围岩共同承载地应力,揭示其组合体宏细观损伤演化机理有助于完善充填体与围岩相互作用理论和优化充填体的配比和强度设计.开展不同灰砂比的围岩-充填体组合体单轴压缩试验和数值模拟,分析宏观下应力-应变曲线、力学参数及破坏模式,细观下裂纹扩展、能量变化及损伤演化规律.结果表明：灰砂比越高,组合体的峰值强度和弹性模量越大,峰值应变越小;组合体发生张拉剪切混合式破坏,低灰砂比时接触界面产生断裂破坏,高灰砂比时分层界面产生宏观裂隙;峰前阶段,接触界面和分层界面等薄弱部分先出现微裂纹,组合体以弹性应变能的转化为主,伴随小幅度能量损耗,损伤程度较低;峰后阶段,组合体耗散能急速增长并超过弹性应变能,内部损伤程度加速恶化.围岩内部裂纹数量大幅增加并迅速扩展贯通,率先出现宏观断裂面,充填体内部裂纹汇聚合并于分层界面,在高灰砂比时发挥良好的协同支护作用.     

不连续周期荷载作用下砂岩力学特性试验研究

为探究砂岩在不连续周期荷载作用下的力学特性,基于周期荷载作用下岩石的损伤特性,开展普通周期荷载试验中加入时间间隔的疲劳试验.试验结果表明:普通周期荷载试验中,随着循环次数的增加,岩石的轴向残余应变逐步趋于稳定值;在时间间隔的影响下,设置时间间隔后的轴向残余应变始终大于未设置时间间隔时的残余应变;时间间隔越长残余应变累加得越快,砂岩的疲劳寿命越小;砂岩的疲劳破坏是不同时间间隔条件下由内部微裂纹压密、闭合、张开、扩展等作用下的宏观表现,时间间隔使残余应力在砂岩内部持续产生作用,时间间隔越长作用效果越明显.     

孔隙水压力条件下混凝土破坏机理与理论探讨

为了探究饱和混凝土在孔隙水压力下的破坏机理,本文在已有的研究基础上,通过理论分析孔隙水压力和当前孔隙率对饱和混凝土微裂纹的演化及宏观力学性能的影响,确定了真实水压力作用下混凝土的I、II型裂纹应力强度因子;复合型裂纹张拉破坏和剪切破坏的主导条件。并利用“YSL-200”型微机控制多通道轴压水压联合作用岩石-混凝土流变试验系统,基于饱和混凝土封闭孔隙水压力Pf和贯通孔隙水压力Pg间的压力梯度,从细观角度解释了混凝土在水环境下的破坏机理。结果表明：孔隙率的变化和Pf、Pg间的压力梯度都是混凝土材料细观破坏的重要原因之一;孔隙水压力下混凝土材料大都呈“X”型剪切破坏;水围压的存在可以提高饱和状态下混凝土的抗压强度。     

大理岩细观破坏行为的量化分析

对选自四川镜屏二级水电站的大理岩进行带有加载装置的扫描电镜(SEM)细观损伤破坏过程的动态试验.获取试验过程中裂纹生长发育的相关图片,并进行图像处理、分析、可视化和算法开发的研究,获取岩石损伤破坏的过程中的重要参数(长度、面积、角度等),进行损伤破坏特性的量化分析.研究结果表明,加载过程中,长度、方位角、面积等细观结构参数服从一定的分布规律和演化规律;加载过程中分叉裂纹极其发育,加载后期裂纹扩展迅速,最终形成剪切破坏面.     

冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟研究

在矿山运输系统中,井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的,因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用,室内研究表明,岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。为研究在低速冲击载荷作用下,脆性岩石损伤断裂的演化过程,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验,岩板受到冲击后,边缘出现凹坑,表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘,实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况,能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势,同时与入射角度相关,但当破裂区面积急剧下降时,裂纹表面积反而急剧上升,表明裂纹的发生发展有明显的孕育期,在入射能量达到临界值前,主要表现为裂纹孕育增长,在达到临界值后,发生宏观断裂破坏,裂纹面积呈负增长,破裂区面积增大。实验结果分析表明在实际工程中,围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。     

动态载荷作用下岩石颗粒破裂过程的数值模拟

目的 为了研究岩石颗粒在动态载荷下的损伤破坏机理与动力破碎过程．方法 用RFPA（岩石破裂过程分析）探讨不同动态应力波作用对于岩石颗粒试样破坏模式的影响．结果 数值模拟结果表明，在不同的应力波峰值和不同的应力波作用时间作用下，试样表现出不同的破裂模式．结论 在应力波峰值较低时，裂纹的萌生从试样的中部或底部开始；当应力波赋值较大时，裂纹的萌生从加载点开始以裂纹带的形式向下延伸．在相同的应力波峰值作用时。波长较长时试样主要表现为径向破裂为主；而波长较短时试样则表现为两翼破坏．在动态应力波作用下，试样中萌生出更多的分叉裂纹，随着应力波波长的增加。分叉裂纹的数量也随之增加．这与静态载荷作用下形成只一条主裂纹的情形是不同的。     

岩石损伤过程中的渗流特性

目前人们对岩石损伤后渗透性变化定性、定量方面的认识都存在不足,通过分析中国大量岩石全应力应变过程渗透性试验的成果,总结出目前岩石破损过程渗透性变化的4种类型。分析了岩石孔隙、裂隙、岩性等因素对于形成4种不同渗透性变化类型的影响,以及围压对渗透性发展演化的作用。峰值前一般渗透性随围压增加而减小,但峰后比较复杂,值得继续研究。统计分析了目前试验中岩石渗透性的变化范围,结果表明：一般软岩渗透性变化较小,脆性岩石渗透性变化较大。从目前围压1MPa-40MPa的全应力应变渗透性试验结果来看,97％渗透性变化不超过1000倍,其中85．9％渗透性变化不超过100倍。提出岩石破坏后是否出现高速非达西流需要从有效应力考虑,提出了渗流失稳与渗流作用下结构失稳的区别。     

Statistical damage constitutive model for concrete materials under uniaxial compression

According to the damage mechanism of concrete material during the uniaxial compressive failure process,this paper further establishes the statistical damage constitutive model of concrete subjected to uniaxial compressive stress based on the statistical damage model under uniaxial tension. The damage evolution law in the direction subjected to pressure is confirmed by the tensile damage evolution process of lateral deformation due to the Poisson effect,and then the compressive stress-strain relationship is defined. The peak nominal stress state and the critical state occurring in the macro longitudinal distributed splitting cracks are distinguished. The whole loading process can be divided into the even damage phase and the local breakage phase. The concrete specimen is divided into the failure process zone and the resting unloading zone. The size effects during the local breakage phase under the uniaxial monotonic compressive process and the hysteretic phenomenon under the cyclic compressive loading process are analyzed. Finally,the comparison between theoretical results and experimental results preliminarily verifies the rationality and feasibility of understanding the failure mechanism of concrete through the statistical damage constitutional law.     

Failure Patterns and Energy Analysis of Shaft Lining Concrete in Simulated Deep Underground Environments

The failure patterns and energy evolution of three types of shaft lining concrete subjected to static and dynamic loading were reported.The energy and damage characteristics of concrete were determined by means of a uniaxial hydraulic servo machine,acoustic emission (AE) equipment,a split Hopkinson pressure bar (SHPB) and an ultrasonic wave analyser.The experimental results indicate that the confluence of multiple cracks forms a penetrating cross section in normal high-strength concrete (NHSC) under the condition of static loading,while the elastic energy that surges out at failure can cause tremendous damage when subjected to dynamic loading.A single crack was split into multiple propagation directions due to the presence of fibres in steel fibre-reinforced concrete (SFRC);adding fibre to concrete should be an effective way to dissipate energy.The non-steam-cured reactive powder concrete (NSC-RPC) designed in this paper can store and dissipate more energy than normal concrete,as NSC-RPC exhibits a strong ability to resist impact.Applying NSC-RPC to the long-service material of a shaft lining structure in deep underground engineering is quite effective.     

Meso-damage cracking characteristics analysis for rock and soil aggregate with CT test

The aim of this paper is to investigate the damage cracking characteristics of rock and soil aggregate(RSA)by X-ray computed tomography(CT)under uniaxial compressive loading.The mean CT value for the region of interest(ROI)is used to analyze the cracking characteristics.Also,the mathematical morphology method based on the image threshold segmentation is used to obtain characteristic parameters of cracks to describe the cracking evolution of RSA.Results show that the elastic mismatch between rock blocks and soil matrix is the primary reason for RSA cracking.The mean CT value for the RSA specimen,rock block inclusions,and their adjacent soil regions decreases with the increasing stress level.However,it is more sensitive for block inclusions than soil regions.Using the image segmentation method,length,area and mean width of cracks obey to power function distribution.Crack statistical characteristics are closely related to the rock block’s distribution and morphology.These results may be useful to reveal the mesoscopic cracking mechanism,establish meso-damage evolution equation,and constitutive relation for RSA.     

局部静载约束条件下动力扰动对煤岩损伤的影响

为得到局部静载约束条件下循环冲击荷载对煤岩损伤的影响特征,基于自行研制的约束式摆锤冲击动力加载装置研究局部静载约束条件下原煤试样分别受到恒定冲量循环冲击和递增冲量循环冲击过程中损伤因子和表面裂纹的演化规律。结果表明：当约束区处于弹性状态时,约束面积越大的分区抗冲击能力越强,当约束区处于塑性状态时,约束面积越大的分区抗冲击能力越差;递增冲量循环冲击对煤岩的致损效率高于恒定冲量循环冲击,两种冲击方式破岩效率的差异主要体现在静载约束区,并且静载值越大,损伤因子对冲击方式的敏感度越高;煤岩表面的裂纹扩展与损伤因子的分区特征较为一致,当约束区处于弹性状态时,静载约束对裂纹的扩展起到抑制作用,裂纹主要沿着约束面积较小的区域扩展、衍生;当约束区处于塑性状态时,裂纹主要在约束面积较大的区域扩展,并且约束区内主要以竖直方向的拉伸裂纹为主,而非约束区内的裂纹主要沿倾斜方向扩展;随着静载值增加,试样表面裂纹的分形维数先减小后增加。局部静载约束可以提高煤岩抗冲击能力,并且煤岩损伤演化呈明显的分区特征。     

Numerical Simulation of Rock Burst in Circular Tunnels Under Unloading Conditions

Rock burst in a circular tunnel under high in-situ stress conditions was investigated with a numerical method coupled the rock failure process theory (RFPA) and discontinuous deformation theory (DDA).Some numerical tests were carraied out to investigate the failuer patterns of circular tunnel under unloading conditions.Compared the results under loading conditions, the shapes of failure zones are more regular under the unloading conditions.The failure patterns in the same type of rock mass are clearly different because of non-homogeneity of the rock material.The extension of cracks shows some predictability with an increasing of in-situ stress.When the homogeneity index of rocks (m) is either relatively high or low and lateral pressure coefficients (λ) is high, the number of regular shear slide cracks decreases and the probability of a rock burst also becomes lower.Our numerical simulation results show that the stability of surface rock and the natural bedding stratification of rock material greatly affect rock bursts.Installing bolts with due diligence and suitably can effectively prevent rock bursts.However, it is not effective to control rock bursts by releasing the strain energy with normal pre-boreholes.