分区破裂相似材料分层观测试验研究

以沙土作为相似材料,观测了圆桶模型内部裂纹的分布规律及沿轴向的变化规律。研究表明:在若干沙土层间预制界面,然后将各层沙土依次从铁桶中压出的实验方法可以更深入地观测硐室围岩裂纹沿轴向的变化规律。巴西圆盘模型不能解释分区破裂现象,而用空间共轭剪切带解释则更加合理。支护对分区破裂有一定的影响。     

Shear stress distribution and characteristics of deformation for shear band-elastic body system at pre-peak and post-peak

The distributed shear stress and the displacement across shear band, the evolution of plastic zones, and the load-carrying capacity of rock specimen were investigated in plane strain direct shear test according to Fast Lagrangian Analysis of Continua （FLAC）. And then the shear displacement distribution in normal direction of system composed of localized shear band and elastic rock was analyzed based on gradient-dependent plasticity. The adopted failure criterion was a composite of Mohr-Coulomb criterion, that is, the relation between tension cut-off and postpeak constitutive of rock was linear strain-softening. Numerical results show that shear stress field approximately undergoes three different stages. At first, shear stress is only concentrated in the middle of top and base of specimen. Next, shear stress in the middle of specimen tends to increase, owing to superposition of shear stresses. Interestingly, two peaks of shear stress appear far from the loading ends of specimen, and the peaks approach with the increase in timestep until elements at the center of specimen yield. Finally, relatively lower shear stress level is reached in large part of specimen except in the regions near the two ends. As flow stress decreases, the analytical shear displacement distribution in shear band based on gradient-dependent plasticity becomes steeps outside the band, it is linear and its slope tends to decrease. These theoretical results qualitatively agree with that of the present numerical predicted results. Main advantage of the analytical solution over the numerical results according to FLAC is that it is continuous, smooth and non-linear （except at elastic stage）.     

孔隙压力对岩样全部变形特征的影响

目的 研究了孔隙压力对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响．方法 利用FLAC内嵌语言编制的FISH函数计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比．在峰前及峰后，岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型．结果 随着孔隙压力的增加，岩样的破坏区域越来越广泛；剪切带倾角都接近于Arthur倾角；峰值强度及所对应的轴向、体积应变及侧向应变的大小均降低．当孔隙压力较低时，峰后应力-轴向应变曲线及应力-侧向应变曲线软化段斜率基本保持不变，根据单轴压缩条件下的解析解，这是由于岩样的破坏模式不随孔隙压力的增加而改变．结论当孔隙压力较高时，大量的单元发生破坏将消耗较多的能量，这使应力-轴向应变及侧向应变曲线软化段变平缓；岩样在轴向应变较低时就可获得较高的侧向变形量及泊松比，甚至负的体积应变．岩样失稳破坏的前兆的明显程度不随孔隙压力的改变而改变．     

基于实测剪切应力及局部应变的Ti-6Al-4V绝热剪切带的峰值温度估算

认为试样表面的变形场出现不连续性不是绝热剪切带出现的标志,而是形变绝热剪切带进一步发展的结果;在计算绝热剪切带内部的峰值温度时应从局部剪切应变中扣除弹性应变,因为弹性应变不会对塑性功有所贡献。以动态扭转的Ti-6Al-4V试样(TA-50)为例,计算了绝热剪切带内部的峰值温度,其被划分为3部分:环境温度、均匀和非均匀变形引起的温度。在两种条件下(从局部剪切应变中扣除弹性应变与否),计算出的峰值温度分别为669和665℃,其在热回复和再结晶的温度范围之内,未达到相变的温度,比Liao及Duffy的理论计算值(630℃)要高。如果剪切应力-局部塑性剪切应变的关系不能完全确定,适当的近似是必要的。     

基于梯度依赖的JOHNSON-COOK模型的韧性绝热剪切敏感性

以基于梯度塑性理论提出的绝热剪切带内部的局部塑性剪切变形分布的理论表达式为基础,研究10个参数对绝热剪切敏感性的影响。对LIAO及DUFFY给出的Ti-6Al-4V绝热剪切带内部的1条流线的实验结果进行最小二乘曲线拟合。估算绝热剪切带宽度取值不同时的临界塑性剪切应变。理论曲线很好地反映了绝热剪切带内部流线的非线性变形特征。利用不同的临界塑性剪切应变值反算了JOHNSON-COOK模型中的一些参数。研究发现,绝热剪切敏感性随着初始静态屈服应力、功热转化因子和应变率参数的降低而降低,这与密度、热容、环境温度及应变硬化指数的影响刚好相反。所提出的模型可以预测绝热剪切带的宽度由高至低的演变过程,直到达到一个稳定值,这一点DODD和BAI模型做不到。     

Ti-6Al-4V剪切带内部的应变、温度分布及演变研究

采用梯度塑性理论，考虑了峰值剪切应力之后的材料承载能力缓慢降低的过程及承载能力快速降低的过程，推导了剪切带内部的剪切变形、应变及温度分布的公式。计算了Ti-6Al-4V剪切带内部塑性剪切应变，温度的分布及演变。在剪切带内部，塑性剪切应变及温度分布是高度不均匀的，这种不均匀性随着施加的塑性剪切应变的增加而增加。随着流动剪切应力的降低，剪切带内部的最大塑性剪切应变线性增加，最高温度非线性增加。由于微结构效应，基于梯度塑性理论的剪切带内部的最大塑性剪切应变及最高温度的预测值高于经典理论的预测值。将Ti-6Al-4V剪切带内部的剪切变形及应变的理论结果与根据前人高速摄影实验图片的计算结果进行了对比，理论与实验结果的趋势非常吻合，在数值上，剪切带内部的最大剪切应变的理论值仍低于实测值。     

扩容角对初始随机材料缺陷岩石试样破坏过程及力学行为的影响

在单轴平面应变压缩条件下，采用FLAC模拟扩容角对具有初始随机材料缺陷的光滑端面岩石试样的破坏过程及对应力一应变曲线的影响。利用FISH函数于试样内部规定初始缺陷。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则，破坏之后呈现应变软化一理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。扩容角较高时试样内部最终发生破坏的单元数目较多。随着扩容角的增加，剪切带变得粗壮和陡峭。扩容角对应力一轴向应变曲线影响不大。扩容角增加时，在应变软化阶段，应力一侧向应变曲线变平缓，根据作者过去提出的理论公式，这是由于剪切带宽度增加的贡献超过剪切带倾角增加的贡献所致。当扩容角较高时，应力峰值时试样内部的最大剪切应变增量较高，因而试样破坏的前兆比较明显。剪切带倾角的数值结果与Arthur倾角比较接近，未能超过Coulomb倾角。扩容角越大，剪切带最终可以获得越来越高的剪切应变和体积应变。     

含随机材料缺陷岩样的破坏前兆及剪切带模拟

利用FLAC模拟了含初始随机材料缺陷的岩样的破坏前兆、声发射及最终破坏模式.比密实岩石弱的缺陷在破坏之后经历理想塑性行为.密实岩石在破坏之后先是经历线性应变软化行为,然后是理想塑性行为.材料缺陷在岩样内部的初始分布决定了剪切带的花样.尽管应变软化行为刚发生时在岩样内部形成了剪切带网络,但是岩样的最终破坏条带仅通过一条或几条剪切带.最终破坏条带的倾角在每个岩样内部都基本保持不变.剪切带倾角的数值解是以Coulomb倾角为上限,以Arthur倾角为下限.在应力的峰值附近和应变软化阶段,含缺陷少的岩样的声发射活动更加集中.     

三点弯梁开裂过程及尺寸效应的连续-非连续方法模拟

本文利用自主开发的一种适于模拟准脆性材料(岩石、混凝土等)变形、开裂、接触、摩擦及转动的连续-非连续方法(该方法借鉴了拉格朗日元法、变形体离散元法及虚拟裂缝模型的有关原理),通过在梁跨中预设允许分离节点,开展了位移控制加载条件下三点弯梁开裂过程及尺寸效应的数值模拟研究。研究发现,随着加载点位移的增加,梁跨中的节点不断分离,裂缝不断发展,最大主应力始终集中于裂缝尖端附近;随着裂缝的张开,裂缝两侧发生卸载。梁的跨高比越大,梁的载荷峰值越小,梁的载荷-位移曲线的峰前和峰后部分越平缓。梁的高度越大,储存的应变能越高,梁的开裂越迅速,这可解释煤矿中采掘活动引起的巨厚砾岩层的开裂和运动诱发的冲击地压现象。     

多孔介质岩土材料剪切带孔隙特征研究(2)——最大孔隙比分析

在流动剪切应力为残余剪切强度时，对剪切带内部的局部孔隙比和平均孔隙比进行了理论分析。对于应变软化阶段剪胀的岩土材料，基于梯度塑性理论验证了在剪切带内部存在最大孔隙比的客观事实，最大孔隙比具有两层含义，即局部(和坐标有关)最大孔隙比和平均最大孔隙比，分别解释了相关的实验现象。对影响剪切带内部平均最大孔隙度的因素进行了分析；给出了剪切软化模量、残余剪切强度及扩容角对剪切带内部最大孔隙度的影响规律。在软化过程中，剪切带中部最大孔隙度逐渐增加，直至残余强度剪切带中部最大孔隙度达到最大值。研究结果为流固耦合多孔介质岩土材料的稳定性研究奠定了初步的理论基础。