基于梯度塑性理论的岩样拉压剪破坏统一失稳判据

提出了单轴拉伸,直剪及单轴压缩剪切破坏失稳判据的统一形式。首先对de Borst R及Muhlhaus H B关于单轴拉伸试件梯度塑性理论解析解方面的开创性工作进行了回顾、评论,并指出了他们工作的缺憾。受de Borst R等工作的启发,对直接剪切试件进行了分析,得到了快速回跳条件。并发现:岩样的快速回跳条件就是系统(由剪切带及带外弹性岩石构成)的失稳判据。又对单轴压缩岩样剪切破坏进行了分析,得到了其失稳判据。通过对单轴拉伸失稳判据、直接剪切失稳判据及单轴压缩剪切破坏失稳判据的类比,得到了失稳判据的统一形式。统一失稳判据表明:岩石材料的局部化带宽度及压缩或剪切弹性模量越小,软化模量及等效试件高度越大,试件越容易发生失稳破坏。     

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。     

基于梯度塑性理论的岩样在压剪条件下变形及稳定性分析

考虑了正应力及剪应力联合作用在岩样的端部,而且,在正应力被视为变量,剪应力被视为常量这一特殊条件下,对剪切带的变形特征及剪切带-带外弹性体系统的失稳判据进行了分析.根据剪切虎克定律及梯度塑性理论,提出了剪切带内部弹性应变、塑性应变及总应变的解析式,对上述三种应变进行积分,提出了剪切带错动弹性位移、塑性位移及总位移的解析式.利用压缩虎克定律及几何关系建立了剪切带外弹性体的刚度的表达式.根据刚度理论,建立了剪切带-带外弹性体系统的失稳判据.考虑岩样端面的剪切应力后,在流动剪切应力相同时,剪切带内部的弹性剪切应变(均匀分布)将增加;剪切带内部的塑性剪切应变(不均匀分布)将减小;剪切带的弹性剪切位移(线性分布)将增加;剪切带的塑性剪切位移(非线性分布)将减小;剪切带错动位移要小一些.另外,剪切应力对剪切带-带外弹性体系统的失稳判据没有影响.失稳判据仅和岩石的本构参数、剪切带倾角及结构尺寸有关.     

单轴压缩岩样轴向回跳及侧向回跳理论研究

研究了单轴压缩条件下轴向回跳及侧向回跳之间的关系。在应变软化阶段,试样的弹性轴向应变及弹性侧向轴向应变由虎克定律确定;试样的轴向塑性应变及侧向塑性轴向应变由梯度塑性理论确定,它们与应力水平、剪切带倾角及宽度、软化模量及试样的尺寸有关。根据轴向应力-应变曲线及侧向应力-应变曲线软化段斜率的正负,得到了轴向回跳及侧向回跳的条件。轴向回跳的原因是轴向弹性应变的恢复快于轴向塑性应变的增加。侧向回跳的原因是侧向弹性应变的恢复快于侧向塑性应变的增加。当剪切带倾角的正切小于泊松比与试样宽高比之积时,若侧向变形发生回跳,则轴向变形就发生回跳;反之,若轴向变形发生回跳,则侧向变形就发生回跳。对于常规岩样,若侧向发生回跳,则轴向必定是回跳的。在应变软化阶段,根据轴向应变及侧向应变是否发生回跳,轴向应变与侧向应变曲线被划分为4种类型：即轴向回跳及侧向回跳情形、轴向回跳及侧向回跳情形、轴向不回跳及侧向回跳情形及轴向回跳及侧向不回跳情形,并得到了各种类型的条件。     

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。     

加载速度对断层-围岩系统变形及快速回跳的影响

在平面应变状态下,采用拉格朗日元法模拟了加载速度对断层-围岩系统形成时的应力水平、塑性区尺寸及剪切带图案、系统的最大承载能力以及快速回跳发生时的应力水平的影响。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。通常断层带-围岩系统形成之后系统的承载能力达到最大,之后系统的承载能力开始下降处于应变软化状态。当位于试样加载端上的单元的压缩应力-压缩位移曲线的峰后刚度足够大时,系统就会发生弹性回跳现象,即失稳破坏。随着加载速度的增加,断层带-围岩系统形成时的应力水平、断层带-围岩系统的最大承载能力、快速回跳发生时的应力水平及上述三者所对应的加载端部位移都增加,屈服单元数目增多,塑性区域不再保持平直,这都将大大增加系统的变形阻力。当加载速度较大时,较高的剪切应变率集中在断层带位置及断层带之外的弹性体的某些区域都是可能的。     

矿柱岩爆模型试验中能量释放研究

为研究岩体工程中矿柱型岩爆的能量释放和碎块抛射速度,制成3种岩石材料的矿柱试验模型,对其进行单轴压缩试验并用高速摄像机拍摄碎块的抛射过程,实测了碎块的抛射速度。根据Griffith能量释放理论,运用有限元软件在平面应力和平面应变条件下计算试验模型破坏前后瞬时应变能的改变量(释放量),考虑部分能量耗散后运用能量守恒原理计算碎块的理论抛射速度。研究结果表明,在单轴压缩试验中红砂岩、石岛红花岗岩和白麻花岗岩的抗压强度、弹性模量依次增大,岩爆倾向性增强,其在矿柱模型破坏中3种材料的能量释放量和碎块抛射速度也依次增大;宽柱模型破坏程度比窄柱模型剧烈;平面应变模型(现场)比平面应力模型(试验)破坏时释放更多能量,即岩石的强度、弹性模量和尺寸型式决定岩爆破坏剧烈程度;矿柱岩爆模型试验中碎块的理论抛射速度与实测速度值基本接近。在不考虑尺寸效应的情况下证明了在相同应力下具有比例尺寸关系的工程体与模型发生破坏时的抛射速度基本相同。     

岩石失稳破坏的键弹簧模型研究

岩石的失稳破坏是岩石力学的一个重要课题。本文根据微观原子键作用的特征,揭示了固体材料宏观破坏本质必然是微观键的拉破坏,发明了键弹簧,用以表征岩石宏观力学性质。在综合分析岩石破坏的宏细观特征及声发射特性的基础上,建立了岩石破坏的键弹簧模型,推导出用以判别系统失稳的虚余能判据。利用虚余能判据,对各种加载状态下岩石的失稳破坏进行了综合分析,讨论了岩石在单轴拉伸、压缩、剪切、真三轴单面卸载等条件下的失稳条件,及岩石系统失稳破坏的尺度效应和围压效应。进一步提出了岩石系统失稳的统一判据公式,指出系统加载失稳由加载条件、应力状态、几何参数共同决定,区别于传统系统失稳的刚度理论。最后介绍了岩石键弹簧模型失稳判据在工程上的应用。     

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。      

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。     

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。     

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。     

Numerical Study of Failure Mechanism of Serial and Parallel Rock Pillars

Using a numerical modelling code, rock failure process analysis, 2D, the progressive failure process and associated acoustic emission behaviour of serial and parallel rock samples were simulated. Both serial- and parallel sample models are presented for investigating the mechanism of rock pillar failure. As expected, the numerical results show that not only the stiffness, but also the uniaxial compressive strength of the rock plays an important role in pillar instability. For serial pillars, the elastic rebound of a rock pillar with higher uniaxial compressive strength can lead to the sudden failure of an adjacent rock pillar with lower uniaxial compressive strength. The failure zone forms and develops in the pillar with lower uniaxial compressive strength; however, the failure zone does not pass across the interface of the two pillars. In comparison, when two pillars have the same uniaxial compressive strengths but different elastic moduli, both serial pillars fail, and the failure zone in the two pillars can interact, passing across the interface and entering the other pillar. For parallel pillars, damage always develops in the pillar having the lower uniaxial compressive strength or lower elastic modulus. Furthermore, in accordance with the Kaiser effect, the stress-induced damage in a rock pillar is irreversible, and only when the previous stress state in the failed rock pillar is exceeded or the subsequent applied energy is larger than the energy released by the external loading will further damage continue to occur. In addition, the homogeneity index of rock also can affect the failure modes of parallel pillars, even though the uniaxial compressive strength and stiffness of each pillar are the same.     

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。      

Investigation of a Limestone Pillar Failure Part 1: Geology, Laboratory Testing and Numerical Modeling

Summary A pillar failure at shallow depth of overburden, featuring the recent formation of subvertical open cracks in the rock was observed. An extensive laboratory test program including Brazilian tests, uniaxial and triaxial compression tests for obtaining strength and deformation characteristics of the limestone was executed. Strength from single and multiple failure triaxial compression tests on intact rock and from tests on small scale rock mass specimens were obtained. Classification of the rock mass was conducted for use with the Hoek-Brown strength criterion. Numerical analysis shows that the strength of the rock mass exceeds by far the applied stress, suggesting a stable pillar. This typical rock engineering approach to assess rock mass stability is shown to be inadequate.