剪切带倾角尺度律与局部化启动跳跃稳定研究

研究了剪切带倾角是如何依赖于岩样高度以及剪切带的不稳定性。建立了准脆性材料试件剪切带倾角尺度效应模型,得到了剪切带倾角尺度效应的解析解,且与实验结果比较相符。研究结果表明:剪切带倾角随着试件高度的增加而增加,但其增加幅逐渐减缓,最终趋于稳定值。笔者还对剪应变局部化启动、跳跃和稳定进行了理论分析,解释了实验所观测到的剪切带跳跃现象和砂岩岩样应变局部化较煤样滞后的原因。剪应变局部化是否发生跳跃,关键取决于全程应力-应变曲线软化段是否存在拐点。对于没有拐点的情形,宏观剪切带图案不跳跃。局部化是导致准脆性材料试件剪切带倾角尺度效应的原因。     

材料缺陷对岩样变形局部化影响的数值模拟

在平面应变压缩条件下,采用拉格朗日元法研究了材料缺陷对岩样应变局部化及宏观力学行为的影响。在数值计算中,采用了莫尔-库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石的本构关系为线性应变软化。对于理想岩样（不含任何缺陷）,从剪切应变率的等值线图及变形网格图发现,变形场相对试样垂直对称轴对称。在试样的边界上设置材料缺陷后,变形场的对称性被打破。材料缺陷附近是局部化现象启动的主要位置。与不含材料缺陷试样相比,含缺陷试样的局部化提前启动。当缺陷位于试样左边界中部附近时,试样内部出现多条剪切带,发生韧性剪切破坏,峰后应力-轴向应变曲线和应力-侧向应变曲线均倾向于韧性,岩样的稳定性增强;当缺陷位于试样上、下端面附近时,仅出现一条贯穿试样左右边界的剪切带,发生脆性剪切破坏,峰后两种曲线倾向于脆性,易发生失稳破坏。从数值结果中还观测到了剪切带的跳跃或迁移现象及剪切带的相互竞争、此消彼涨的现象。当岩样中不包含任何缺陷时,试样应力-变形曲线的峰值强度最高。随着缺陷的上移,峰值强度下降,直到峰值强度基本保持不变。缺陷越接近于岩样的下端,对岩样应力-变形曲线的峰值强度的影响越小。     

平面应变状态下岩石剪切带网络数值模拟研究

研究了围压、端面约束、试件高度及界面特性对剪切带网络形成的影响。首先对影响剪切带网络形成的因素（包括试件高度、围压及温度、试件端部轴向应变大小的计算方法的差异）进行了分析。之后采用FLAC 3D对平面剪切带网络进行了数值模拟,其中摩擦角及内聚力为应变软化。探讨了倾向于出现剪切带网络的若干条件。若端面缚束较强且存在一定的侧压力,试件中部出现多重剪切带。若端面缚束较弱,试件端部易于形成剪切带网络,且随试件高度的增加剪切带条数增加。界面法向和切向刚度越大,剪切带穿越断层并按其固有方向延伸能力越强,剪切带网络格局越明显。获得的数值结果可在实验中找到佐证,并且可以用来解释地震中的一些剪切应变局部化现象。     

基于无网格法的含缺陷岩石变形局部化数值模拟研究

利用自主开发的基于无网格法的岩石力学计算分析程序,采用Mohr-Coulomb破坏准则,考虑材料塑性屈服后的软化特性,研究单轴压缩条件下含一个缺陷的岩石试样的变形特性,探讨含缺陷材料的岩石变形局部化的演化规律。计算结果表明,岩石试件的破坏是一个渐进破坏的过程;加载过程中试件中的缺陷弱粒子首先出现粒子破坏并产生声发射,随加载进行试件产生微裂隙并扩张形成一个变形局部化带,局部化带扩张、发展,最终形成一个明显的剪切破坏带,缺陷粒子对试件的破坏起到了控制作用。岩石的声发射记录了岩石材料的塑性破坏过程,岩石试件的剪切破坏带与塑性区的发展具有非常类似的规律,但塑性区面积要大于剪切破坏带,从所处位置来看剪切破坏带位于塑性区之内,通过研究声发射特征信息发现变形局部化发生在应力-加载步（应变）达到峰值强度前。     

岩石试件端面摩擦效应数值模拟研究

试件端面摩擦效应直接影响试件内的塑性等效应变、侧向位移的分布和单元应力应变曲线。本文运用ANSYS中的接触单元模拟了平面应变状态下端面摩擦效应对塑性等效应变、侧向位移和单元应力应变曲线的影响,得到了不同摩擦系数时塑性等效应变及侧向位移的渐进变化形式。当接触面摩擦较小时,塑性等效应变图案为上下两个X形网络,侧向位移上下分布均匀;当接触面摩擦增大时,塑性等效应变网络向中部靠拢并且明显增大,侧向位移上下分布不均匀,中部较上下端面位移大;当试件端面侧向位移被限制,即摩擦力很大时,塑性等效应变网络变为一个X形局部化带,侧向位移分布更加不均匀,中部明显隆起。     

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。     

中低应变率加载条件下花岗岩尺寸效应的能量特征研究

能量相互转化过程的综合作用导致了岩石破坏,而其破坏的根本原因是岩石中储存的应变能的释放。对中低应变率加载条件下岩石尺寸效应能量特征的研究结果表明：花岗岩破坏时吸收的总能量U、弹性应变能Ue以及损伤应变能Ud均随试件尺寸的增长而降低;岩石强度与岩石中储存的能量有关,尤其与弹性储能有关,即弹性应变能愈高,岩石强度越大;试件长度由50 mm 变为125 mm时,弹性储能逐渐降低,岩石破坏形态从劈裂破坏变为剪切破坏,大尺寸时局部化变形明显。能量是不同应变率加载条件下岩石破坏细微观及宏观特征存在差异的内在动力;亦是导致岩石强度存在尺寸效应的本质动因。     

考虑塑性应变率梯度的单轴压缩岩样轴向响应

基于剪切应变率梯度格式,采用解析方式研究了岩石材料在单轴压缩条件下的应变软化的结构响应。根据非局部连续介质模型,提出了一维二阶剪切应变率梯度格式。非局部剪切应变率与局部剪切应变率及其二阶梯度有关。将经典塑性理论中的局部剪切应变率替换为非局部剪切应变率,可以直接得到局部剪切应变率的封闭解析解,而不必通过将局部剪切应变对时间求导获得。通过对局部剪切应变率积分,得到了沿剪切带方向的相对剪切速度。试件峰值强度后的端部速度由弹性及塑性两部分构成。前一部分由虎克定律描述;后一部分与相对剪切速度有关。对弹性及塑性两部分速度求和,得到了单轴压缩岩样剪切破坏问题轴向响应的解析式。研究表明：试样高度越大、内部长度越小、剪切软化模量越大及泊松比越小,则岩样的轴向响应倾向于脆性。根据岩样与矿柱的相似性,岩样响应倾向于脆性,意味着矿柱将失去稳定性,发生矿柱岩爆。目前的基于剪切应变率梯度格式的主要优点是简洁。     

基于数值模拟研究岩石材料冲击载荷下的动态抗压强度增强

为了确定岩石材料在SHPB实验中的真实应变率效应,需要去除实验中的横向惯性效应和端面摩擦效应作用引起的动态抗压强度增量。本文假定材料的真实应变率效应、横向惯性效应和端面摩擦效应三者不相关,基于数值模拟的方法确定岩石材料的横向惯性效应和端面摩擦效应。将从SHPB实验中得到的动态抗压强度数据减去分别由横向惯性效应和端面摩擦效应引起的动态压缩强度增强量,即可获得岩石类材料在SHPB实验中的真实应变率效应。     

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(II): 尺寸效应及弹性回跳

提出了利用不同尺寸试件的轴向应力-应变曲线得到轴向应力-侧向应变曲线的一种方法，并研究了结构尺寸对轴向应力-侧向应变曲线的影响。根据尺寸不同试件的轴向应力-轴向应变曲线的实验结果，并基于梯度塑性理论的解析解，在应变软化阶段，确定出了各种试件的剪切带条数。由此求出了不同宽度试样的轴向应力-侧向应变曲线。剪切带条数与试件宽度之比是决定轴向应力-侧向应变曲线特征的关键指标。若该比率为常量，则上述曲线不具有尺寸效应。当宽试件及窄试件在局部化启动后，在试件内部都出现一条剪切带时，随着试件宽度的增加，该曲线越陡，甚至出现回跳。上述方法也可用于分析轴向应力-环向应变曲线的尺寸效应问题。尺寸效应的原因是局部化，但局部化并非总引起尺寸效应。     

基于数字图像测量系统的饱和细砂渐进破坏特性研究

基于亚像素角点检测的数字图像测量系统能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的局部应变及应变场。分析了试样不同位置的局部径向应变在剪切过程中的变化,获得了以不同初始成样含水率制备的松砂和密砂试样在不同特征时刻的应力与应变的特征值。通过轴向应变场的变化分析了从应变局部化出现到剪切带发育、形成的这一完整的渐进破坏过程,总结了剪切带形成时的局部最大轴向应变特征值,并定性地分析了剪切带内、外土体在渐进破坏过程中不同的轴向应变增长率。试验结果表明：在应变场中试样应变局部化明显,并可以依此确定应变局部化的出现、剪切带的形成;对于密砂及初始含水率为0%制备的松砂试样,应力在应变局部化出现之初即达到峰值,剪切带形成时应力已经开始下降,进入应变软化阶段;以初始含水率为6%和12%制备的松砂试样在达到应力峰值时剪切带已经形成;剪切带内土体的局部轴向应变增长幅度比剪切带外的土体大得多。试样整体轴向应变的增大主要是由剪切带内土体剪切破坏产生的较大轴向应变所致。     

剪切带图案的复杂性及应力-应变曲线的离散性

在平面应变压缩条件下,通过在岩样左边界靠近下端面的位置及右边界的不同位置预制材料缺陷,采用拉格朗日元法研究了材料缺陷位置不同时的剪切带图案启动、演变及试样的宏观力学行为。在数值计算中,采用了莫尔-库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石的本构关系为线性应变软化。当试样左、右边界上的缺陷距离较远时,剪切带仅出现1条,以通过两缺陷形式贯通试样两边界;当两缺陷距离较近时,启动于缺陷附近的剪切带按各自其固有方向发展,剪切带图案十分复杂。当右缺陷距离试样上端面较近时,由于上端面的约束,仅位于缺陷下方的剪切带能得到充分的发展。若剪切带数量较少且贯通试样两边界时,试样发生脆性剪切破坏,应力-变形曲线软化段比较陡峭;反之,发生韧性剪切破坏,软化段比较平缓。当剪切带的前端迎面遇到试样上、下端面附近的上、下三角形区域时,由于端面的约束,剪切带的方向将改变。当剪切带的前端与试样的纵向对称线距离较近时,剪切带发生折射现象;当距离较远时,剪切带将发生反射现象。     

预制节理岩体试件强度及破坏模式的试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、载荷应变率、试件长径比、节理充填物厚度及类型等7种工况下的预制节理岩体在单轴压缩下的峰值强度及破坏模式进行了研究。结果表明：节理岩体的破坏模式及峰值强度与节理构造形态密切相关。贯通节理岩体将产生沿节理面的剪切破坏或穿切节理面破坏,且与第1种破坏模式对应的岩体峰值强度更低。非贯通节理岩体的强度介于完整岩体和贯通节理岩体之间。随着平行节理组数的增加,岩体峰值强度逐渐下降。随着载荷应变率的增加,岩体峰值强度逐渐增大,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。试件长径比基本没有改变其破坏模式,完整试件仍主要是以张拉破坏为主,而节理试件仍以剪切破坏为主。随着长径比增加,试件峰值强度逐渐增大。随着节理充填物厚度增加,试件峰值强度降低。不同节理填充物对试件峰值强度也有一定影响。     

基于应变梯度理论的韧性剪切带理论研究

地质领域中存在的大量事实都可以归为应变局部化范畴,韧性剪切带是剪切应变局部化带。本文首次应用应变梯度塑性理论对韧性剪切带进行了理论分析。获得了韧性剪切带内部局部剪应变(率)分布规律,剪切带错动总位移及剪切带法向位移的理论表达式,以及韧性剪切带内部体积应变(率)和孔隙率分布规律。剪应变局部化导致了体积应变和孔隙率局部化。随着应变软化的加剧,剪应变、体积应变和孔隙率局部化加剧;随着应力率绝对值的增加,剪应变率、体积应变率集中程度增强。      

减围压平面应变压缩试验条件下丰浦砂中剪切带特性研究

不同于常规土体单元试验中恒定围压的应力路径,进行了减围压（卸载）应力路径下丰浦砂的平面应变压缩试验,研究了初始围压和初始相对密度对砂土的剪切强度和剪切带特性的影响。结合二维数字图像（DIC）相关方法,分析剪切带的形成过程,对剪切带的厚度和倾角及其影响因素进行定量地分析。研究结果表明,剪切带形成于峰值剪切强度之前;对于密实丰浦砂试样,随着围压的增加,其剪切强度(最大有效主应力比)减小且峰值强度出现越晚,剪切带厚度减小而剪切带倾角变化不大;丰浦砂试样的相对密度越高,剪切强度越大且峰值强度出现越早,剪切带厚度越小而剪切带倾角越高。此外,基于峰值内摩擦角的Coulomb公式可以较好地预测平面应变试验条件下丰浦砂的最大剪切带倾角。     

考虑围压及孔隙压力的岩石试件应力与应变关系解析

假设剪切带内部的岩体为剪切破坏,利用剪切应变梯度塑性理论,解析得出了考虑围压和孔隙压力的岩石试件应力与应变的关系,解析解与众多的实验研究结果比较一致,围压效应和孔隙压力效应是局部化所致,这一研究结果对于自然灾害的防治有一定的理论和实际意义。      

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(Ⅰ):基本理论及本构参数对侧向变形的影响

研究了岩样在单轴压缩条件下轴向应力．侧向或环向变形的全程曲线特征。基于考虑峰值剪切强度后微小结构之间相互影响和作用的梯度塑性理论，得到了由于剪切局部化而引起的侧向塑性变形。利用虎克定律描述了试件的弹性变形，得到了轴向应力．侧向变形全程曲线的解析解。在软化阶段，试件中部侧向变形及对靠近试件上端或下端部位的侧向变形并不相同。与轴向应力．应变曲线可能出现的回跳现象类似。试件中部轴向应力．侧向应变曲线也可能出现回跳现象。在应变软化阶段，与应力．侧向应变曲线相比，应力．环向应变曲线不容易发生回跳现象。若在试件内部出现多条剪切带，则应该以等效剪切带宽度替代本文中的剪切带宽度。随着剪切带倾角、内部长度参数的降低、剪切模量的增加及弹性模量的降低，轴向应力．侧向应变曲线越陡；甚至能出现弹性回跳。     

大连滨海粉质黏土剪切力学特性环剪试验

以大连滨海地区典型粉质黏土为研究对象,利用大型高速环剪仪,针对不同法向应力和剪切速率条件下该粉质黏土大剪切力学性质的变化情况进行了试验。环剪试验结果显示：1）该滨海粉质黏土在正常固结状态下出现明显的应变软化现象,分析表明其应变软化特性主要与土中黏土矿物质量分数及其在剪切过程中的定向排列有关。2）在相同剪切速率下,峰值强度和残余强度随法向应力的增加而增大,峰值强度与法向应力之间表现出良好的线性关系。3）由于峰值强度产生过程中土体内部黏聚力的变化,峰值强度随剪切速率的增加而增大;残余强度变化与剪切速率具有一定的相关性,这与不同剪切速率下剪切带（面）处黏土颗粒定向排列程度不同有关。     

应变软化扩容对含随机缺陷岩石的渐进变形及破坏前兆特征的影响

在单轴平面应变压缩条件下, 采用FLAC模拟了剪切扩容对含随机缺陷岩石破坏前兆及变形特征的影响。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-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。随着轴向应变的增加, 试样内部破坏的单元数目增加, 直到达到一个常数, 该常数随着扩容角的增加而增加。当扩容角较高时, 计算得到的泊松比在峰前就可以超过0.5;剪切扩容于峰前发生; 变形后试样的最终体积大于初始体积。剪切局部化(导致了毗邻块体之间的相对滑动)及剪切扩容(发生于剪切带内部)是非零扩容角试样峰后体积膨胀的原因。在峰前, 通过观察剪切应变增量、破坏的单元数目、侧向应变、计算得到的泊松比及体积应变可以发现, 扩容角越高, 试样破坏的前兆越明显。在低扩容角时, 由于弯曲的剪切带边界, 试样内部充分发展的剪切带的倾角比较分散, 剪切带的倾角更接近Arthur理论。      

10~1～10~2s~(-1)应变率下花岗岩动态性能试验研究

采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)上对花岗岩进行了10~1～10~2 s~(-1)应变率段的动态压缩试验.试验主要做了以下3点改进:(1)采用大直径变截面锥杆,并严格限制试件长径比;(2)选用退火紫铜片和药用胶布作为脉冲整形器;(3)在入射杆与试件接触端面加设万向头.此外,通过高―低应变率重复加载试验得到了花岗岩材料在变速重复冲击下特有的力学性能.结论表明,在此应变率段花岗岩材料具有明显的应变率硬化效应,峰值应力前应力-应变曲线的跃进特性.