基于虚内键模型的岩石单轴压缩全过程曲线模拟

利用虚内键模型理论（virtual internal bond model,简称VIB）,由岩石单轴压缩损伤本构方程和虚内键联接法则方程的相似性,提出了岩石单轴压缩破坏的虚内键密度演化函数 ,通过含虚内键密度演化方程的弹性张量 ,实现了岩石单轴压缩应力-应变全过程曲线的数值模拟。数值模拟结果表明,通过参数的合理选取,虚内键模型理论可以模拟不同岩样的全过程曲线。     

基于细观变形理论的盐岩塑性本构模型研究

唯象学本构模型不能很好解决诸如夹杂含量、温度、应变速率等对盐岩力学性质的影响,更难以解释盐岩变形机制。盐岩为石岩晶体组成,其变形机制主要由多晶结构所控制,故基于固体位错理论研究方法建立的盐岩塑性本构模型更能反映盐岩的变形机制。研究表明,盐岩的塑性-蠕变交互作用机制是（亚）晶粒内部位错的滑移与（亚）晶界及其干涉面内位错的攀移运动之间的耦合。基于此,可确定亚晶（或晶粒）平均尺寸与流动应力之间的关系、（亚）晶内的位错平均密度;建立微观参量（位错、亚晶直径、亚晶界宽度等）演化模式;根据Orowan定律建立盐岩微观-宏观变形联系,从而导出盐岩塑性本构方程。导出的本构方程体现了盐岩塑性-蠕变变形的物理机制,相对于传统的塑性本构方程具有更好的物理意义。     

基于虚内键模型的三维均质岩石本构关系模拟

基于虚内键模型,推导出三维条件下虚内键演化函数的四阶弹性张量,对虚内键密度演化函数中的两个参数进行研究,建立单轴压缩下岩石数值模型,得出两参数对岩石应力-应变全过程曲线影响的一般性规律,实现对均质大理岩试样应力-应变全过程曲线的数值模拟。数值结果表明,基于虚内键模型的均质岩石应力-应变全过程曲线与力学试验结果较为吻合。从而证明了用虚内键模型探讨岩石材料本构关系的适用性与可行性,为研究岩石本构关系提供了一个新思路。     

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。     

平行黏结模型宏细观力学参数相关性研究

采用变量控制法较全面地分析了各细观参数与宏观参数的定量关系,表明：弹性模量E随颗粒模量Ec、黏结模量 、平行黏结半径乘子 呈线性增长,随颗粒刚度比kn /ks、黏结刚度比 呈对数减小;泊松比则主要受kn /ks和 的影响,两者之间呈对数关系;颗粒键的黏结强度决定了材料的强度,室内材料黏聚力c和抗拉强度 主要受法向平行黏结强度 、平行黏结强度比 的影响,随 线性增长,随 对数减小;摩擦角 主要受颗粒摩擦系数u影响,两者呈对数关系。分析裂隙扩展特征,表明材料法向黏结强度 和切向黏结强度 的相对大小决定裂纹分布规律,随 增大,岩样的拉破坏区域减少,而压剪破坏区域增加,破坏面由剪切破坏向共轭破坏发展;材料的强度离散性越小,岩样破坏趋于集中,破坏面明显,强度均值标准差比值 >3.5为宜; 增加,宏观破坏形式向共轭破坏发展。细观参数的选取除了匹配强度参数,同时还需要考虑破坏形式的一致,考虑多参数相互影响,建立了宏细观参数之间的经验公式,对细观参数进行优化选择,并做了实例验证。室内试验和数值模拟获得的峰值荷载、变形参数、剪切强度等数值接近,应力-应变演化规律相同,破坏形态一致,表明细观参数结果是可靠的。     

连续损伤理论与应用

本书介绍了各类损伤材料的损伤本构关系与损伤演化方程、各向同性损伤与各向异性损伤问题和热弹性损伤问题的一般理论，另外，还对弹性各向同性损伤问题的本构关系进行了理论推导，介绍了材料细观损伤机理与材料宏观力学性能之间的联系及工程上实用有效的损伤本构模型，并对沥青混合料的疲劳问题、沥青路面的反射裂缝问题、钢筋混凝土结构的损伤破坏等工程实际问题，进行了理论分析与计算。     

混凝土混合硬化黏塑性损伤统本构模型

传统的黏塑性统一本构模型只能用于金属类材料的本构分析,而不适用于混凝土的本构分析.基于此,以不可逆热力学理论为基础,选定了涉及混合硬化参量的Helmholtz自由能函数,推导出混凝土的黏塑性损伤耦合本构模型.通过对混凝土硬化模型的分析,构造了含运动硬化和等向硬化内变量的非相关流动势函数,又推导出流动方程以及内变量演化方程.所建模型对混凝土试验曲线的数值模拟显示,其能够正确描述混凝土的率相关性、非弹性体积膨胀特性、加载过程的软硬化特性以及由断裂和损伤引起的应力软化现象.     

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.     

基于弹性张量离散化的脆延转变本构模型研究

外部荷载作用下的裂隙扩展在空间上一般是非均匀的,引起岩石材料的衍生各向异性。将材料离散成大量随机分布的由力键连结的物质点,基于力键的方向性,且将局部弹性张量离散成一定数量的方向张量,理论推导出力键模量与宏观弹性参数之间的关系。通过考虑力键断裂效应,建立了各向异性弹性损伤本构模型。为了模拟中等孔隙率岩石在常规三轴压缩试验中脆性向延性转变的力学行为,在力键断裂效应中引入损伤抑制函数。通过模拟Tennessee大理岩和Indiana石灰岩的常规三轴实验,并与试验数据对比,验证了模型的合理性和有效性。     

基于微观力学特性的脆性岩石变形过程模拟

为了建立能够描述岩石宏观变形及其组成部分的变形模拟方法,考虑微缺陷的不均匀性对岩石宏观变形产生的影响,将岩石视为由空隙部分材料和骨架部分材料两部分组成。首先,基于岩石各组成部分材料变形分析,利用真应变描述方法及非线性变形的特点建立空隙部分材料的变形力学分析方法,同时,引入统计损伤以及固体力学理论建立骨架部分材料的变形力学分析方法。然后,通过岩石及其组成部分的变形力学分析建立岩石宏观变形力学分析方法,从而获得能够模拟岩石变形破坏全过程的统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后,将文中模型与既有模型的理论曲线与试验曲线进行了对比分析,且基于文中模型对岩石及其组成部分变形进行了讨论。研究结果表明：文中模型不仅能反映既有模型所描述的主要变形特征,还能克服其难以较好地反映初期宏观变形非线性的不足;同时,该模型还能描述岩石组成部分的变形过程,不仅揭示了岩石宏观变形与其组成部分变形之间的关系,也揭示了空隙部分材料变形是引起岩石宏观变形非线性的根本原因。表明本文模型与方法具有一定的合理性与优越性。     

Simulation of hydraulic fracture propagation near a natural fracture using virtual multidimensional internal bonds

A virtual multidimensional internal bond (VMIB) model developed to simulate the propagation of hydraulic fractures using the finite‐element method is formulated within the framework of the virtual internal bond theory (VIB) that considers a solid as randomized material particles in the micro scale, and derives the macro constitutive relation from the cohesive law between the material particles with an implicit fracture criterion. Hydraulic pressure is applied using a new scheme that enables simulation of hydraulically driven cracks. When the model is applied to study hydraulic fracture propagation in the presence of a natural fracture, the results show the method to be very effective. It shows that although the in situ stress ratio is the dominant factor governing the propagation direction, a natural fault can also strongly influence the hydraulic fracture behavior. This influence is conditioned by the shear stiffness of the fault and the distance to the original hydraulic fracture. The model results show that when the fault is strong in shear, its impact on hydraulic fracture trajectory is weak and the hydraulic fracture will likely penetrate the fault. For a weak fault, however, the fracture tends to be arrested at the natural fault. The distance between the fault and the hydraulic fracture is also important; the fault influence increases with decreasing distance. The VMIB does not require selection of a fracture criterion and remeshing when the fracture propagates. Therefore, it is advantageous for modeling fracture initiation and propagation in naturally fractured rock. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Simulating fracture propagation in rock and concrete by an augmented virtual internal bond method

This paper develops a practical approach to simulating fracture propagation in rock and concrete based on an augmented virtual internal bond (VIB) method in which the cohesion of solid is modeled as material particles interconnected by a network of randomized virtual micro bonds described by the Xu–Needleman potential. The micro bond potential is used to derive macroscale constitutive relations via the Cauchy–Born rule. By incorporating different energy contributions due to stretch and shearing, as well as different energy levels under tension and compression of each micro bond, the derived macro constitutive laws are particularly useful for modeling quasi‐brittle materials such as rock and concrete which usually have different Poisson ratios and much higher compressive strength than tensile strength. The mesh‐size sensitivity associated with strain‐softening in the present constitutive model is addressed by adjusting material constants near the crack tip so that the biJ‐integral is kept equal to the intrinsic fracture energy of the material. Numerical examples demonstrate that the proposed VIB method is capable of simulating mixed mode fracture propagation in rock and concrete with results in consistency with relevant experimental observations. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Modeling three‐dimensional hydraulic fracture propagation using virtual multidimensional internal bonds

Propagation of fractures, especially those emanating from wellbores and closed natural fractures, often involves Mode I and Mode II, and at times Mode III, posing significant challenges to its numerical simulation. When an embedded inclined fracture is subjected to compression, the fracture edge is constrained by the surrounding materials so that its true propagation pattern cannot be simulated by 2D models. In this article, a virtual multidimensional internal bond (VMIB) model is presented to simulate three‐dimensional (3D) fracture propagation. The VMIB model bridges the processes of macro fracture and micro bond rupture. The macro 3D constitutive relation in VMIB is derived from the 1D bond in the micro scale and is implemented in a 3D finite element method. To represent the contact and friction between fracture surfaces, a 3D element partition method is employed. The model is applied to simulate fracture propagation and coalescence in typical laboratory experiments and is used to analyze the propagation of an embedded fracture. Simulation results for single and multiple fractures illustrate 3D features of the tensile and compressive fracture propagation, especially the propagation of a Mode III fracture. The results match well with the experimental observation, suggesting that the presented method can capture the main features of 3D fracture propagation and coalescence. Moreover, by developing an algorithm for applying pressure on the fracture surfaces, propagation of a natural fracture is also simulated. The result illustrates an interesting and important phenomenon of Mode III fracture propagation, namely the fracture front segmentation. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

深部盐岩蠕变特性研究

通过对湖北云应的盐岩和泥岩,以及江苏金坛盐岩的单轴、三轴蠕变试验结果的分析,研究了包括应力、围压等外在条件以及内部组成结构对盐岩蠕变特性的影响。发现盐岩无论在何种围压下,稳态蠕变率都随偏应力的增加而显著地增大;围压起到限制变形的作用,而随着围压增高,围压对稳态蠕变率的影响越来越小;晶粒越大和杂质含量越多,盐岩的蠕变属性越弱。盐岩的蠕变变形是应变硬化和回复效应等内部变形机制共同作用的结果,选用内应力作为内变量可用来描述这种内部微观结构的演化过程。对云应盐岩的多级加载蠕变试验数据进行拟合,确定了非线性蠕变本构方程中的参数,理论与试验结果的比较表明,两者吻合性较好。     

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。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土本构关系

粗粒土在较大的应力条件下容易产生颗粒破碎现象,而现有的大多数模型都没有考虑剪切过程中的颗粒破碎。模型将塑性功引入土体受力变形过程的能量方程中,推导得到土体流动法则。采用直线型屈服轨迹和非相关联流动法则,利用不排水应力路径计算得到硬化函数,建立了一个考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型。对比分析表明：该模型对粗粒土在各种围压下的应力-应变和体应变计算结果与试验曲线吻合较好。     

黏性材料细观与宏观力学参数相关性研究

岩土工程数值模拟技术中参数选取的正确性是反应材料真实力学特性的基本前提。借助于颗粒离散元分析软件PFC2D,对黏性土类材料样本开展了大量的平面双轴压缩试验。通过记录不同围压下样本的轴向应力峰值,并依据摩尔-库仑强度准则对数值试样的剪切强度参数（内摩擦角、黏聚力）进行标定。着重探讨了黏性材料细观参数中颗粒刚度比kn /ks（0.5～10共12组）、颗粒粘结强度SBS（0～50 kPa共12组）、颗粒摩擦系数?（0～6共16组）以及颗粒粘结强度比K（0.1～10共15组）和材料宏观剪切强度参数以及材料剪切特性之间的相关性。研究结果表明：颗粒粘结（法向、切向）强度同对材料黏聚力呈线性相关;颗粒摩擦系数与材料内摩擦角呈近似对数相关;颗粒刚度比大小对材料剪切强度参数变化亦有微弱的影响;此外,K值（切向粘结强度/法向粘结强度）是影响材料的剪切破坏形态的重要因素。最后,采用了两个多元非线性拟合公式,定量地描述了以上各细观参数和材料宏观剪切强度参数的联合关系,并给出了K值的建议取值,为后续的研究提供重要的理论基础。     

结构性土二元介质本构模型及破损率影响因素的研究

岩土类材料是非均质的具有微缺陷的天然材料,岩土破损力学将岩土材料抽象成由结构块和结构带组成的非均质二元结构体。破损率演化方程反映了岩土材料在外部荷载作用下,结构块向结构带动态变化程度的过程。从细观尺度上分析结构性土体变形、破坏过程发展机制,揭示土体在荷载作用下结构块向结构带转化的过程。最后,针对杨陵黄土,通过三轴剪切试验,研究围压、含水率对破损率演化规律的影响。研究结果表明,单参数模型的破损率与围压和含水率没有关系,使从实验上证明参数模型的破损率是大主应变的函数。