一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

基于复合损伤的节理岩体动态本构模型研究

基于运用霍普金森压杆（SHPB）装置对节理岩体动载试验得出的数据,从节理面倾角、贯通度、厚度、组数、填充物及应变率等不同方面分析各因素对节理岩体力学特性的影响,通过对节理岩体在高应变率下的损伤机制和破坏形式进行分析的基础上,基于复合损伤理论,对广义Bingham模型进行改进,构造了节理岩体材料在不同应变率下动态响应的本构模型,对模型计算和试验结果的比较表明,该模型能够很好地描述节理岩体动荷载下初始弹性变形阶段、稳态塑性变形阶段和加速变形破坏阶段的应力-应变关系,并且理论与试验结果吻合较好,从而证明了该模型的正确性和合理性。     

模拟岩石应变软化变形全过程的统计损伤本构模型研究

建立可以模拟岩石应力-应变全过程的本构模型一直是岩土工程中研究的热点之一.首先,在深入探讨应变软化类岩石受力变形全过程每个阶段特征的基础上,并针对Lemaitre应变等价性理论的不足之处,基于更合理的假定建立了能够反映应变软化类岩石体积变化以及峰后出现残余强度的新型损伤模型;然后,通过引入统计损伤理论并考虑损伤阈值对岩石变形过程的影响,建立了能够模拟应变软化类岩石受力变形全过程的统计损伤本构模型,该模型还可以反映岩石的体积变化以及初始孔隙率对其变形过程的影响;最后,通过理论计算与试验结果及他人模型的对比分析,表明了该模型的合理性与可行性.     

多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。     

不同围压下板岩三轴压缩过程能量及损伤分析

根据不同围压下板岩三轴试验的结果,研究不同围压下板岩的能量变化规律和损伤分析。研究结果表明,不同变形阶段板岩的弹性应变能、耗散能的变化情况不同,弹性应变能先增加后减小,耗散能加载初期几乎为零,进入屈服段急剧增加。根据弹性应变能与总吸收能之比将岩石压缩过程中裂隙发展划分为3个阶段:裂隙稳定发展阶段、裂隙加速发展阶段和裂隙贯通阶段。岩样破坏后总吸收能、耗散能与围压的关系表明,从开始加载到屈服段,畸变比能和体变比能之和Ue'大体等于弹性应变能Ue;从屈服段到峰值强度,Ue'小于Ue且差值越来越大。从能量角度定义损伤变量,认为:低围压状态对应较低的耗散能、较高的损伤值;高围压状态对应较高的耗散能、较低的损伤值。      

基于弹性应变能的岩石强度准则

为建立更符合岩石屈服与破坏机制的强度准则,基于能量转化是岩石屈服与破坏的本质属性,采用试验与理论分析相结合的方法,对岩石屈服与破坏准则进行了研究。以岩石强度与整体破坏准则为基础,通过引入弹性应变能释放分散系数,建立基于弹性应变能强度准则;分别采用M-C准则、Murrell准则、三剪能量准则、统一能量准则、三维H-B强度准则及基于弹性应变能岩石强度准则对盐岩和花岗岩的破坏强度进行了计算。结果表明,基于弹性应变能岩石强度准则的计算结果与试验值比较吻合（尤其是真三轴试验条件下）,并且分析了产生上述结果的内在机制。所建立的强度准则仅需测定常规岩石力学参数（单轴抗压强度与泊松比）,物理力学意义明确,对于定量描述岩石的屈服与破坏特性具有重要的意义。     

岩石类材料的能量基率相关弹塑性损伤模型

岩石类材料的动态本构模型研究是岩石动力学理论研究的基础问题。相比于其他的非线性理论,损伤力学理论已证实可成功地模拟岩石类材料的应变软化和渐进破坏等特征,可用于解释其静、动态破坏机制。现有的通过理论推导得出的动态本构中大部分并未考虑损伤因素,而通过维象学试验方法建立起的动态本构则缺乏损伤力学理论基础。为此基于弹性余能等效原理和损伤力学的基本概念,并结合动态试验,推导建立了岩石类材料的率相关弹塑性损伤模型。并通过与文献中的试验资料对比,证明了模型的有效性,为岩石类材料组成的结构的动力响应研究奠定了基础。     

基于修正Lemaitre应变等价性假设的岩石损伤模型

基于损伤力学和损伤阀值的概念,认为岩石在较小应力状态下为弹性阶段。当应力达到屈服状态时,发生连续损伤;而当完全损伤时,其应力-应变具有残余强度的变形特征。在此基础上,采用三参数Weibull分布描述岩石损伤演化机制,同时对Lemaitre应变等价性假设进行修正,考虑岩石内部损伤后沿着局部断裂带发生相对滑动变形所产生的滑动摩擦力,最终建立起新的岩石损伤模型。通过与试验结果进行对比分析,结果表明,所建立的损伤模型能够准确地描述岩石在低应力水平下的弹性变形和残余强度变形特征,在实际的工程中具有广泛的适用性。     

基于裂纹体应变的深埋大理岩加、卸荷破坏机制研究

为了弄清深埋硬岩的加、卸荷破坏机制,系统开展了深埋大理岩的常规三轴试验、保持 不变的卸围压试验和变 的卸围压试验等。以裂纹体应变为主要分析变量,结合体应变、等效塑性应变等参量深入分析上述不同应力路径下硬岩的破坏过程。运用裂纹体应变-轴向应变曲线、等效塑性应变-轴向应变曲线和轴向应力-应变曲线来解释岩石破坏过程所产生的现象与规律。结果表明：在裂纹闭合阶段岩样裂纹闭合的变化程度（裂纹体应变改变的大小）可以反映岩石的初始损伤程度;裂纹闭合阶段对岩石弹性模量的计算有重要的影响,需要根据合适的阶段划分,消除裂纹闭合阶段对弹性模量计算的影响,进而得到较为准确的弹性模量;在卸围压点处岩石的可闭合程度突然增加,裂纹体应变-轴向应变曲线发生突变;岩石卸荷破坏过程中裂纹扩展存在滞后性。研究成果有助于进一步理解深埋硬岩的加、卸荷破坏过程和机制,为深埋隧洞的灾害防治提供理论依据。     

脆性岩石的损伤与裂隙扩展

岩石内部各种微裂隙的产生及发展,导致岩石的物理力学性质的劣化,此即损伤对岩石作用的结果。本文根据大理岩破坏过程中裂隙扩展的作用,定义了视损伤变量D=ε_v~k/ε_v~m,并导出了岩石的应力-应变关系和损伤变量D与D的关系。通过损伤试验,得出与理论值相吻合的结果。     

冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究

针对饱水状态下的泥质白云岩,采用BCD–218 C低温数控恒温箱、WDW3100型微机控制电子万能试验机进行不同冻融循环状态下的单轴压缩试验,对其在单轴状态下应力-应变曲线变化特征以及抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松比的变化规律进行了分析。在现有的损伤力学理论基础上,引入斜率增大趋势系数,建立了以冻融循环次数和应变为控制变量的本构模型。结果表明,在冻融循环过程中,单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量参数呈指数下降趋势,泊松比呈线性增加的趋势;受冻融循环的影响,应力-应变全过程曲线在第一阶段后出现短暂的线形平缓阶段,具有岩石局部滑移现象;岩石破坏形态从脆性向延性转化,具有峰前塑性硬化和峰后应变软化等行为特征。理论本构模型与试验结果相符合。     

基于损伤塑性模型的地下洞室结构地震作用分析

基于损伤力学原理,通过引入损伤变量的方法,详细推导了ABAQUS中的损伤塑性本构模型,描述混凝土后继屈服阶段及其卸荷后的损伤机制和力学行为。此本构模型可考虑循环荷载条件下材料刚度退化和应变率的影响,适用于类似混凝土材料的脆性材料,如岩石等。以某水电站地下厂房洞室结构为例,进行二维动力时程非线性分析,考虑不同的刚度恢复权重因子和应变率相关性对结构损伤的影响。多个数值算例表明：洞室混凝土结构和其周围一定深度的围岩的损伤是一个渐进积累的过程;材料的率相关性效应并不是在地震动作用开始时就立即产生,而是在一段时间后,结构经历一定程度的损伤后才慢慢体现出来;此损伤塑性模型适合地震荷载等循环荷载作用下地下洞室结构的动力时程非线性分析,尤其是强震下采用此损伤塑性模型是合理和必要的。     

参数型岩石几何损伤模型的构建及其应用研究

岩石几何损伤模型是建立统计损伤本构模型的重要基础。在岩石变形力学特性基础上对现有岩石几何损伤模型进行了回顾性分析,针对它们难以较好地反映初始损伤特征和峰后变形破坏特征的缺陷与不足,首先,将岩石材料视为由未损伤部分、初始损伤部分和后继损伤部分组成,提出了考虑初始损伤的岩石几何损伤模型;然后,通过探讨Weibull分布参数m和F0对损伤变量变化产生的影响,构建了参数型岩石几何损伤模型,在此基础上建立了应变软化类岩石统计损伤本构模型并进行了修正,给出了模型参数的确定方法;最后,通过模型验证和参数分析表明,修正后模型能够较好地模拟岩石变形破裂全过程,参数l和h对损伤变量变化产生的影响与m和F0等效,解决了现有岩石几何损伤模型存在的共性问题,该模型和方法具有一定的合理性和可行性。     

含水率对岩石电荷感应信号影响规律研究

水是诱发矿井灾害的主要因素之一,研究水?岩相互作用下的岩石破坏电荷信号,可丰富矿井水引起灾害的监测方法。为研究含水率对岩石破坏电荷感应信号的影响规律,基于损伤理论推导了岩石损伤破坏力?电耦合模型,得到了感应电荷量与岩石力损伤和水损伤的理论关系。利用自主研制的电荷感应信号数据采集系统,对不同含水率条件下的岩石试样进行了单轴压缩电荷感应信号监测试验,分析了水对岩石力学性质和岩石破坏过程中各阶段电荷感应信号的影响规律,并对含水率影响感应电荷产生的机制进行了讨论。结果表明：岩石变形破坏过程中的电荷感应信号与岩石的损伤程度有关,累积感应电荷量与感应电荷总量的比值可以表示岩石在水和力作用下的损伤量,且含水率越高,试样越易在较低的应力下产生大量的电荷感应信号。不同含水率岩石的宏观破坏特征明显不同,随着含水率升高,岩石的抗压强度降低,裂隙发育,岩石破坏形式由单剪式破坏向张拉和剪切混合破坏转变。电荷感应信号分布形态上,含水率的升高使得高幅值电荷簇数增加,并向弹性阶段发展,且高幅值电荷感应信号主要分布在弹性阶段后期和塑性阶段。感应电荷量上,随着含水率的升高,弹性阶段的感应电荷释放量占比逐渐增大,塑性阶段占比逐渐减小,两阶段的感应电荷量之和占试样变形破坏过程中产生感应电荷总量的90%以上。水通过弱化岩石颗粒和渗透压作用,使岩石在较低应力下产生或扩展裂隙,感应电荷信号更丰富。     

Micromechanics modelling for stress–strain behaviour of brittle rocks

A micromechanics model for stress–strain behaviour of brittle rocks has been developed. Microcracking is the mechanism of the non-linear deformation behaviour for brittle rocks in the pre-peak stage. The non-linear behaviour in this stage is simulated by considering the local axial splitting of microcracks. The relationships between the compressive stresses, the growth of microcracks, and the fracture-induced deformation are analytically established. In the post-peak stage the shear faulting predominates the process of deformation, which is simulated by a damage model. This micromechanics model is helpful in understanding the failure process in brittle rocks. The model can be used to simulate the complete stress–strain behaviour of rock. The model simulations are consistent with experimental results.     

考虑初始损伤和残余强度的岩石变形过程模拟

针对现有损伤模型的不足,提出同时反映岩石初始损伤和残余强度的岩石变形过程模拟方法.将岩石材料分为未损伤部分、损伤部分和微缺陷,未损伤部分和损伤部分共同承担岩石所受的应力.通过岩石材料几何条件及微观受力分析建立未损伤部分的应变分析.再考虑岩石的形变比能只与损伤部分材料相关,从而建立损伤部分的应变分析.然后探讨岩石损伤和耗散能的关系,提出了可以反映岩石初始损伤的损伤演化方程,基于各部分应变分析建立模拟岩石变形过程的损伤本构模型,同时给出模型各参数的确定方法.结果表明:损伤演化方程不仅表现了岩石的初始损伤特征,也可以完整地体现岩石变形破坏过程的5个阶段;与前人模型相比,提出的岩石变形模拟方法与试验曲线更加吻合,体现了岩石的变形全过程,特别是更加直观地反映了岩石的初始损伤和残余强度特征.综合体现了本文模型在模拟岩石变形全过程时的优势.