基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

冻融循环下含节理类岩石试样剪切破坏特性

为探究冻融循环对节理岩石抗剪力学特性的影响,针对冻融循环前后不同连通率节理岩石试样进行剪切特性试验,探究了节理试样的剪切破坏机制,对比分析了冻融前后节理试样抗剪强度的衰减趋势,分析了黏聚力及内摩擦角随岩石试样剪切破坏面分形维数的变化规律。结果表明：随冻融循环次数的增加,节理试样剪切应力-位移曲线发生显著变化,峰值剪应力出现明显下降,黏聚力及内摩擦角对比冻融前试样出现明显劣化,并且随节理试样连通率的增加,劣化程度加剧;在节理连通率相同时,随冻融循环次数的增加,剪切破坏面的分形维数呈现近指数函数递增的趋势,随分形维数的增加,节理试样的黏聚力损伤因子、内摩擦损伤因子也呈现指数函数增加的趋势;在冻融循环次数相同时,内摩擦角损伤因子随节理连通率的增大呈先减小后增大的趋势,而黏聚力损伤因子在冻融循环次数为30次前后分别呈递增和先减后增的趋势。     

考虑峰值后区应力跌落速率的脆岩损伤本构模型研究

为了研究和分析脆岩峰值后区变形破坏力学性质,引入统计细观损伤理论,针对以破坏微元体数目与总数目之比定义的损伤变量存在的局限性与不足,在分析非均匀性岩石峰后变形破坏特征基础上探讨脆岩细观损伤演化机制,建立了考虑破坏微元体引起岩石材料非均匀性的修正损伤模型,并提出模型修正系数的函数假设;然后,在此基础上推导建立了岩石修正统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法;最后,将模型理论曲线与试验曲线进行了比较分析,并对模型参数的变化规律进行了讨论。研究表明:该模型能够反映脆岩峰值后区不同应力跌落速率的现象,模型理论曲线及模型参数的变化规律与试验结果较为吻合,表明提出的模型和方法具有一定的合理性与可行性。     

重塑上海淤泥质粘土直剪试验

直剪试验是测定土体抗剪强度常用的方法。通过对重塑上海第4层淤泥质粘土分别进行固结快剪和慢剪试验,对慢剪和快剪的剪应力和剪切位移曲线以及慢剪和快剪的抗剪强度曲线进行分析,并对其剪应力与剪切位移关系曲线进行归一化分析,拟合得到各竖向压力下τ·S-S的归一化方程,进而统一了各竖向压力下τ/P.S-S的归一化方程,并通过抗剪强度曲线图可得到抗剪强度参数粘聚力(c)和内摩擦角(φ);抗剪强度和剪切破坏时与剪切面上的含水率有较好的线性关系。      

基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究

进行了高应力条件下卸围压并增大轴压的花岗岩卸荷试验,描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力-应变曲线和力学参数损伤劣化规律;分析了能较好反映岩石卸荷强度破坏特征的Mogi-Coulomb准则和强度参数变化规律;建立了岩石由压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏的渐进演化体系。在此基础上,通过对岩石卸荷破坏起主要作用的横向变形将压剪Mogi-Coulomb准则和拉剪Mogi-Coulomb准则联系起来,建立了描述岩石卸荷渐进破坏的新强度准则。基于上述的卸荷试验成果,结合描述岩石卸荷渐进破坏的应力-应变曲线,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应、横向变形作用、卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。     

土工带加筋碎石土的抗剪强度特性研究

大型三轴固结排水剪切试验表明：土工带加筋后土体的破坏强度和破坏应变均得到提高。从加筋土和未加筋土的强度包线看出,加筋前后土体的强度曲线基本平行,摩擦角相等,粘聚力提高。通过分析加筋土的应力-应变关系试验曲线,研究土工带加筋素碎石土的抗剪强度特性,提出土工带加筋土的抗剪强度表达式。为进一步研究土工带素碎石土加筋机理提供试验基础。     

峰后裂隙岩石非线性损伤特性与数值模拟研究

在地下洞室、隧道等工程中,裂隙岩石峰值强度后的损伤破坏特性及演化机制对控制围岩稳定至关重要,目前,对岩石峰后的损伤破坏特性研究不充分,认识不全面,易出现大体积塌方、大变形等工程事故。针对峰后裂隙岩石的力学性质,开展室内三轴试验,分析其非线性损伤破坏特性;假设岩石损伤满足Weibull分布规律,引入损伤变量,推导出峰后裂隙岩石非线性损伤破裂本构方程;将上述本构方程与能量耗散原理、应变能密度理论相结合,建立了峰后裂隙岩石的非线性损伤破坏准则;采用FISH语言开发了基于上述破坏准则的峰后岩石损伤破裂计算程序,用连续的方法模拟分析了峰后裂隙岩石的非连续损伤破裂过程,揭示了裂隙岩石峰后损伤破坏特性及其演化规律,并与裂隙岩石的三轴压缩试验结果进行了对比。结果表明:上述本构方程与判别准则能较好地模拟峰后裂隙岩石非线性损伤破裂过程。为有效控制围岩稳定提供一种新的理论分析手段。     

高应力区岩石统计损伤本构模型研究

为了反映高应力区岩石变形破坏全过程,通过引入双参数抛物线型Mohr强度准则,建立适用于高应力区岩体的微元强度度量方式,并假定由该度量方式得到的微元强度服从幂函数概率密度分布,结合连续损伤理论,考虑损伤变量修正,建立一个新的适用于高应力区岩体的统计损伤本构模型。以高应力区英安岩为验证对象,进行常规三轴压缩试验,依据岩石应力-应变曲线特征,给出模型参数确定方法。引用基于线性Mohr强度准则而建适用于浅部低应力水平岩体的相关统计损伤模型,利用该模型和所建模型对高应力区英安岩和相关文献中的高应力区砂岩、花岗岩试验数据进行验证,对比试验曲线和理论曲线,证明所建模型的可行性和适用性,并对英安岩累积损伤的扩展过程进行分析。     

基于残余强度修正的岩石损伤软化统计本构模型研究

岩石随着围压的增大,残余强度的增加幅度比峰值强度大,残余强度逐渐成为影响岩石全应力-应变曲线峰后段的主要因素,因此,建立岩石损伤软化统计本构模型时,对残余强度进行修正是非常必要的。基于岩石应变强度理论以及岩石微元强度服从Weibull随机分布的假设,考虑岩石峰后残余强度对损伤变量进行修正,在微元破坏符合Hoek-Brown屈服准则条件下,建立了能够反映岩石峰后软化特征的三维损伤统计本构模型;依据岩石试验全应力-应变曲线的几何特征,推导出本构模型参数的数学表达式,并基于花岗岩室内试验数据对模型参数进行探讨,研究了Weibull分布参数与本构模型的关系,探讨了损伤修正系数的取值和岩石累积损伤的扩展过程;将建立的本构模型理论曲线与4种岩石（斑状二长花岗岩、细晶大理岩、砂岩和粉砂质泥岩）不同围压下的常规三轴压缩试验曲线进行对比分析,结果表明,该模型能很好地描述岩石破裂过程的全应力-应变关系和表征岩石残余强度特征。这对于岩石损伤软化问题以及岩石加固处理措施的研究均具有重要的意义。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

宜-巴高速公路泥质红砂岩三轴应力松弛特性研究

软岩应力松弛特性研究是其长期力学特性研究的重要方面,亦是保证高地应力软岩隧道长期安全稳定的关键。采用TLW－2000三轴流变仪,对宜－巴（宜昌至巴东）高速公路泥质红砂岩进行围压为30 MPa的应力松弛试验研究。试验结果表明,在松弛过程中,随着松弛损伤的发展,导致松弛具有明显的非线性特征。对松弛过程中损伤耗散能变化规律的分析,建立松弛损伤的演化方程,并将损伤因子引入到西原模型中建立非线性的松弛损伤模型,通过与试验结果的对比分析,验证所建模型的合理性,可为宜－巴高速公路高地应力软岩隧道长期稳定性分析提供科学依据。     

Numerical Studies on Chip Formation in Drag-Pick Cutting of Rocks

A two dimensional non-linear finite element simulation model has been developed using a mathematical model for progressive rock failure for understanding the mode and sequence of rock failure under a drag pick cutter. Rock cutting simulation has also been done using linear elastic modeling using local stability factor contouring. It has been observed from the simulation results that during negative rake angle cutting the chipping occurs by shear failure of the elements. Whereas, in positive rake angle cutting, some elements were observed to fail in shear and some under tension. The predicted peak cutting force using the developed models was found to be up to 25% higher than the experimental values. The effect of input parameters such as rake angle, flank wear, depth of cut and rock properties on the predicted peak cutting force has been studied, verified from earlier experimental studies and compared with some earlier proposed theories on rock cutting. The elastic stress analysis model based on the stability factor contouring method has also been found to be an effective tool to bracket the expected peak cutting force for a given operational and rock parameters but failed to simulate the effect of pick geometry (rake angle) correctly. The non-linear simulation model using progressive rock element failure is superior to elastic linear stress analysis model by simulating the correct trends for all the rock and machining parameters.     

岩体粘弹塑性-损伤本构模型及其有限元分析

本文将损伤力学的原理引入岩体流变学的研究,建议了一个损伤演化方程以描述岩体力学性质随时间不断弱化的现象。系统地推导了有限元计算公式。地下巷道位移的实测验算表明,本文的本构模型是合理而有效的。     

基于岩石统一能量屈服准则的硬岩损伤模型

为了更准确、便捷地确定深埋地下工程中硬岩的力学行为,开展了如下研究：根据损伤与塑性演化存在相似机制,假设损伤阈值与初始屈服采用相同的确定方法,将岩石统一能量屈服准则作为损伤阈值的判定准则;基于Rabotnov对损伤变量的定义和Lemaitre应变等效性假设,并考虑未损伤部分的应力-应变关系符合广义虎克定律,提出了简化形式的硬岩损伤本构方程;为了更好地表达硬岩从低围压到高围压条件下的脆-延转化特性,提出了改进的Mazars损伤演化方程;基于锦屏T2b大理岩常规三轴压缩试验结果,对损伤模型参数进行求解,并分别与基于Mazars损伤演化方程和Mohr-Coulomb准则为损伤阈值判定准则的损伤模型进行对比,结果表明：提出的损伤模型可更好地表达硬岩从低围压的脆性到高围压的延性转变过程,特别是对损伤阈值后岩石的损伤演化过程的模拟更为精确,对硬脆性岩石的工程计算有一定的借鉴意义。     

岩盐弹塑性损伤耦合模型研究

岩盐力学模型是进行能源岩盐储存工程稳定性分析的基础,而损伤和塑性机制并存且相互耦合是岩盐力学行为的基本特点。采用云应岩盐,进行了多组围压条件下的三轴压缩试验,分析了不同围压下岩盐的变形特征。在试验分析的基础上,提出了一种能够描述岩盐特性的弹塑性损伤耦合的模型,该模型描述了岩盐损伤的演化和塑性变形的耦合关系,并引入了一种非关联的塑性流动法则来描述岩盐从塑性体积压缩到膨胀的转化。采用该模型对在三轴压缩下的岩盐应力-应变关系进行了模拟分析,并与试验数据进行了对比,结果表明该模型能够较好地描述岩盐的主要力学和变形特性。     

基于断裂及高温损伤的岩石蠕变模型研究

为了反映热-力耦合作用下岩石蠕变变形的全过程,依据断裂力学原理提出了岩石裂纹扩展的临界损伤应力和一个新的可描述岩石在稳态蠕变阶段与临界损伤应力相关的非线性黏性分量,在传统西原模型和Burgers模型的基础上,将指数形式的损伤变量、临界损伤应力以及与其有关的非线性黏性分量引入到流变微分方程,通过叠加原理推导了考虑温度效应的单轴和三轴压缩条件下岩石的流变本构关系,建立了岩石的热-力耦合损伤蠕变本构模型。利用不同温度、不同应力条件下花岗岩的三轴蠕变试验曲线和本文蠕变模型的计算曲线进行比较,结果表明本文蠕变模型能够较好地模拟岩石在初始瞬态、稳态和加速蠕变阶段全过程的变形规律,验证了所建模型的有效性和合理性。该模型为分析高温、高应力环境下岩石工程的长期变形和稳定情况提供了理论依据。     

Parameter identification in a damage model for rock mechanics

Attention is focused on the mechanical behaviour of rock-like materials. Developments and applications of a constitutive model based on damage theory are presented. The internal damage model is calibrated for a hard brittle rock, Bushveld Norite, and through this process the identification of the material parameters is carried out. Emphasis is placed on the identification of the material parameters in the damage evolution law. The uniqueness of solutions in the softening regime is investigated through finite element mesh sensitivity studies of non-uniform deformation triaxial compression tests.     

基于渐近展开法的脆性岩石双尺度方法初步研究

将渐近展开法与细观统计模型相结合,研究了脆性岩石双尺度计算方法。该方法在细观尺度定义材料属性,假定材料参数符合Weibull分布,采用弹性－理想脆性本构模型,脆断标准采用修正的Mohr-Coulomb准则和最大拉应力准则,通过宏细观尺度耦合计算,得到细观尺度材料损伤演化及其对结构宏观性状的影响。方法包括确定材料统计参数、确定细观尺度代表性体积单元（RVE）及求解边值方程等步骤。数值模型采用商业软件ABAQUS及其内嵌的UMAT用户子程序实现。该方法适用于岩石单轴受压或低围压应力状态,考虑到计算效率,计算时宜采用混合尺度,即模型重点（关键）部位采用双尺度,而其他区域采用单尺度计算。宏观尺度材料软化后未采用正则化方法,此时的计算结果有网格依赖性。     

单轴压缩条件下岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征研究

岩溶化裂隙岩体是普遍发育于自然界中具有初始损伤的岩体。为了研究岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征,本文以贵州某地赋存的溶蚀岩体为研究对象,运用损伤力学理论构建岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤演化模型,并建立岩溶化裂隙岩体损伤演化方程。采用颗粒流数值软件进行单轴压缩数值试验,进一步研究岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的损伤演化特征,分析岩溶化裂隙岩体的微观损伤特征。结果表明:岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。岩溶化裂隙岩体的初始损伤随着溶蚀率的增加而增加,最终增加速率趋于平缓;岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型变化,先缓慢增加,再迅速增加,最后缓慢增加至损伤值1;岩溶化裂隙岩体存在异构特征,导致破坏裂隙起源于具有初始损伤的溶蚀孔洞和裂隙处,随后裂隙经历萌发、扩张和剪切作用、数量和长度增加以及裂隙贯通4个阶段后发生宏观破坏。