基于Weibull分布的红砂岩颗粒崩解破碎演化规律

红砂岩在我国分布广泛,由于含水量的变化使其崩解破碎十分显著。采用湖南株洲地区的红砂岩样,进行室内静态与扰动崩解试验。基于Weibull分布建立了红砂岩颗粒崩解破碎级配曲线演化模型,分析了模型参数λ与k的意义,分析表明,Weibull分布参数λ与k的大小及变化速率体现了红砂岩颗粒崩解破碎的演化过程。在建立模型的基础上,求得了相对崩解比的计算公式,并验证了计算公式的正确性。依据试验结果与模型计算值,讨论了耐崩解性指数与崩解比的异同及所采用试验方法的不同对试验结果造成的影响。在已有成果的基础上,验证了Weibull分布模型应用于岩石颗粒崩解破碎演化过程的可行性。     

岩石单颗粒压缩破碎的数值模拟分析

岩石颗粒破碎是影响粒状材料剪切强度和变形的最主要因素, 岩石颗粒破碎并不是想象的那么难, 像花岗岩颗粒有时在很小的压应力作用下就可以破碎。岩石单颗粒破碎的物理试验结果常常很离散, 完成大量单颗粒破碎的物理试验费时费力不现实, 采用离散单元法(Discrete element method, DEM)PFC软件模拟单颗粒压缩破碎试验, 既能克服单颗粒破碎物理试验的缺陷, 又能解决单颗粒破碎物理试验工作量大的难题, 是研究单颗粒破碎的理想选择。基于DEM的软件PFC2D, 将粒径为0.075～0.1245mm的基本粒子捆绑成不同粒径的单颗粒, 模拟岩石单颗粒压缩破碎试验, 观察颗粒破碎演化过程, 统计单颗粒破碎强度。计算单颗粒压缩破碎后颗粒分布的分维, 验证单颗粒破碎强度的分形模型和单颗粒破碎强度的尺寸效应。文中引用玄武岩单颗粒破碎试验结果, 与单颗粒破碎的离散单元模拟结果进行比较, 验证单颗粒破碎强度的尺寸效应和修正的Weibull理论的离散单元模拟结果。     

固体颗粒破碎的分维演化规律

固体颗粒破碎后的粒径分布符合分形模型,颗粒破碎程度采用粒径分布的分维表示。本文采用垃圾炉渣的颗粒破碎试验,统计计算炉渣颗粒破碎的分维。收集总结了岩石颗粒破碎分维随破碎应力和破碎能量的变化规律,颗粒破碎的分维是变化的,随着破碎应力和破碎能量增加而增加,颗粒完全破碎后的粒径分布的分维趋于定值,为2.6左右。将颗粒破碎过程中变化的分维称为颗粒破碎的“似分维”,简称分维;分维的极限值称为“真分维”。结合颗粒破碎概率的Weibull统计理论,建立了颗粒破碎“似分维”与破碎应力和破碎能量的相关关系。     

基于尺寸效应的粗粒土单颗粒破碎试验及数值模拟

在外荷载等因素作用下，粗粒土易发生颗粒破碎。对泥岩和砂岩颗粒进行了一系列的单颗粒破碎试验，基于尺寸效应和颗粒破碎分形模型，研究了单颗粒破碎强度、破碎能量及Weibull模量等与分形维数间的关系。利用PFC3D对单颗粒破碎过程进行分析，并与试验数据对比，验证了数值程序的可靠性；随后扩展到大颗粒粒径，分析了其单破碎强度及破碎能量。结果表明：在同类试验条件下，不同材料所得的分形维数是不同的；不同粒径砂岩的破碎程度均大于泥岩；单颗粒破碎强度具有明显的尺寸效应；单颗粒破碎强度与破碎能量均可通过分形维数与颗粒粒径预测得出；修正后的Weibull模量也可通过分形维数得出；数值模拟结果与试验结果及预测结果基本一致；大颗粒粒径单颗粒破碎强度模拟结果与预测结果基本一致，破碎能量稍有差异，需进一步试验验证。研究成果可为获取大粒径粗粒土的单颗粒强度与变形特性提供参考。     

堆石颗粒压缩破碎强度的尺寸效应

目前在颗粒材料的尺寸效应研究中,极少考虑颗粒的复杂形状和内部结构非均匀性。采用随机散粒体不连续变形分析方法(SGDD),引入无厚度界面单元和凝聚力模型模拟颗粒破碎,对5组不同粒径的堆石颗粒进行单颗粒压缩试验的数值模拟,分析了颗粒内界面单元强度对颗粒破碎的影响,并采用Weibull分布模型分析颗粒破碎强度的尺寸效应。通过与室内单颗粒压缩试验对比,试验的数值模拟能真实地再现单颗粒压缩下的破碎过程,不同颗粒的压缩曲线规律相似,达到峰值荷载前,承载力曲线急剧上升,随后颗粒发生致命破碎,承载能力骤降。不同粒径组的单颗粒破碎强度均服从Weibull分布,平均Weibull模数为2.48。不同粒径组的颗粒特征强度存在明显的尺寸效应,特征强度随着颗粒尺寸的增大而减小,与颗粒尺寸呈幂指数关系,但小于Weibull模型的预测值。     

冲击荷载下红砂岩非线性黏弹性损伤本构研究

根据红砂岩在冲击荷载作用下应力曲线表现出的明显的分段特征,以朱王唐本构模型为基础进行改进,建立了一种非线性体、Maxwell体和基于Weibull分布的损伤体并联的本构模型;根据红砂岩动态力学特性,对朱王唐本构模型进行简化,并基于Lemaitre等效应变假设推导出一种率型损伤本构方程。对两种新建本构方程进行试验验证,讨论其适用性并对比分析各参数对试验数据拟合结果的影响,结果表明,基于Weibull分布的非线性黏弹性损伤本构方程能很好地对常温及冻结状态下红砂岩峰前以及整个应力曲线的动态力学性能进行表征,而基于Lemaitre等效应变假设的损伤本构方程只可对红砂岩峰前应力部分进行解答,对整个应力曲线的表征存在一定的局限性。     

柱状岩体崩塌动力特征与破碎规律

柱状岩体崩塌具有分布范围广、破坏能力强、影响范围大的特点。2004年8月12号,重庆甑子岩W12危岩体发生崩塌,崩塌体运动距离约600 m,形成显著超前空气冲击效应,激起浮尘高度约150 m。文章基于MatDEM离散元软件对甑子岩崩塌动力特征与破碎规律进行了研究,建立了按照实际节理分布的崩塌模型,实现了崩塌全过程的模拟,并结合影像资料验证了模型的有效性,在此基础上对MatDEM进行二次开发,统计分析了崩塌过程中岩块粒径演化规律,确定了崩塌过程中的四个显著颗粒破碎时刻,分别为崩塌源区底部岩体受压破碎、中上部岩体撞击低速三角区、中部岩体撞击斜坡地面与上部岩体撞击斜坡地面。引入分形维数与双参数Weibull分布模型分析了崩塌前后颗粒破碎规律,结果显示崩塌后颗粒破碎明显,细粒颗粒占比显著增加。文章为岩体崩塌的动力特征与破碎规律的研究提供了依据。     

MICP对钙质砂单颗粒的破碎行为影响研究

作为一种特殊的岩土介质材料,钙质砂具有在低压下易破碎的性质。微生物诱导方解石沉淀（MICP）技术得到了广泛的关注和认可,可用来改善钙质砂的破碎特性。文章从室内试验和离散元模拟两个角度分别对钙质砂颗粒MICP固化前后进行单颗粒压碎试验,通过Weibull分布和SEM扫描等探究了MICP对钙质砂颗粒破碎行为的影响。结果表明：离散元模拟得到的生存概率曲线及Weibull模量m值与试验结果均吻合较好,验证了该数值模型的有效性。与室内试验相比,数值模拟可以精确地反映颗粒的裂纹分布及破碎过程,且可以研究同一颗粒MICP固化前后的情形,弥补了室内实验的不足,但其取决于模型参数的选取;经过MICP固化后的钙质砂颗粒表面有明显的方解石结晶生成,颗粒表面及内孔隙分别得到一定程度的包裹和填充,导致颗粒破碎强度有明显的增强且离散性大大降低,破碎模式由“多峰型”向“单峰型”转变,局部裂纹减少,多以表面磨损和直接产生贯穿裂纹为主。     

模拟酸雨干湿循环条件下红砂岩的崩解特性

为研究酸雨作用下红砂岩干湿循环崩解特性,在室内配制pH值分别为4.7、5.3、6.0、7.0的溶液以模拟雨水,对恩施红砂岩开展干湿循环条件下的崩解试验,获得了崩解颗粒含量、崩解率与干湿循环次数、溶液pH值关系。结果表明:溶液pH值越低,试样崩解速率越快,完全崩解所需干湿循环次数越少;试样崩解曲线具有明显的阶段性,可分为前期缓慢崩解阶段、中期快速崩解阶段、后期缓慢崩解阶段;对红砂岩进行X射线衍射试验,获得其矿物成分及含量。在此基础上,探讨了酸溶液对红砂岩崩解特性影响机理,主要原因是红砂岩中碳酸钙与盐酸的化学反应导致孔隙、裂隙形成、扩展并贯通;崩解曲线具有阶段性,是由于干湿循环的不同阶段岩块表面积变化所导致。     

多尺度内聚颗粒模型破碎过程研究

岩石破碎过程涉及到多个变量（应力、应变和孔隙率等）变化和裂纹的产生、拓展和聚集，是研究岩石破碎机制的重要途径。为了克服现有研究中岩石颗粒模型未考虑岩石内部特征问题，针对岩石内部颗粒非均匀分布、聚集的特点，开展了岩石轴压破碎试验和岩石岩相分析试验，并在此基础上，构建符合真实岩石内部特征的多尺度内聚颗粒模型。根据离散元的颗粒黏结模型（BPM）理论，求解了多尺度内聚颗粒模型不同粒级颗粒间黏结键的力学关系，发现与二级颗粒形成的黏结键断裂判据为 ≥ 2 GPa，三级颗粒之间形成的黏结键断裂判据为 ≥ 6 GPa，并基于该判据建立了用于模拟颗粒模型破碎的演化模型。通过模拟轴压破碎试验，破碎演化模型可以从细观角度得到颗粒模型各颗粒间黏结键承受力的实时变化和岩石破碎过程中黏结键从外而内的断裂顺序；从宏观角度得到岩石内部裂纹呈V形从上表面两端延伸并相交于岩石中部。通过与岩石轴压破碎试验结果对比发现，模拟试验得到的岩石裂纹特征与岩石轴压破碎试验结果相似，验证模型的可靠性，实现了从细观和宏观角度分析岩石破碎过程。     

红层泥质胶结物干缩裂缝深度与间距预测模型

红层泥质胶结物在干燥条件下会因含水率变化产生开裂,裂缝进一步发展贯通最终导致红层泥岩崩解破坏。目前对红层泥岩崩解机制的研究多为定性描述,缺乏定量分析方法。因此,定量研究红层泥质胶结物开裂的产生及扩展对深化红层泥岩崩解理论研究具有重要意义。基于线弹性断裂力学及非饱和土力学,建立了考虑含水率变化的红层泥质胶结物裂缝深度及间距计算公式,并对公式参数敏感性进行了分析。应用CT试验数据对PFC2D数值模型进行了校准,并基于干缩开裂数值试验结果,对裂缝深度及间距计算公式进行了对比验证。结果表明：提出的计算公式能较好地预测红层泥质胶结物的开裂深度及间距,裂缝深度随含水率减小呈先快速增加再缓慢增长的特点。研究成果有助于加深对红层泥岩崩解的量化理论分析,并为预测工程中红层泥岩的开裂程度提供参考。     

基于统计强度理论的破裂岩体本构模型研究

借助损伤力学思想，基于统计强度理论，提出一种适用于深部工程破裂区破裂岩体的本构模型建立方法，并通过室内试验和数值试验进行了验证。将破裂岩体划分为无数微元立方体，微元立方体的强度与岩石破裂程度有关，且各立方体强度随机分布，故可用强度反映破裂岩体的破裂程度，据此提出一种破裂岩体本构模型建立方法。其中，根据岩石破裂面间的摩擦力做功等于材料破裂后释放的应变能，得到从力学角度定义的岩石破裂程度变量；另外，假定微元立方体强度分布服从Weibull分布，应力水平满足Hoek-Brown准则。利用泥质砂岩破裂岩体典型三轴试验结果，建立泥质砂岩破裂岩体本构模型，并进行了验证，结果表明模型计算曲线与试验曲线吻合度较好。利用离散元软件PFC进行了补充数值试验验证研究，证明了泥质砂岩破裂岩体理论模型的良好计算效果，进而证明提出的本构模型建立方法的可行性。     

平推式滑坡运动距离计算模型

平推式滑坡是四川盆地红层地区和三峡库区普遍存在的一类十分特殊的滑坡。多发育于近水平砂、泥岩互层的斜坡中,岩层倾角一般仅3°～5°,最陡者也不超过10°。基于平推式滑坡的地质力学模型及运动过程分析,利用能量守恒的原理推导了平推式滑坡运动距离的理论计算公式。进行了3组物理模型模拟试验,第Ⅰ组试验模拟滑坡后部裂缝在不同宽度及水头高度作用下滑坡体的运动距离,对推导的理论公式进行校验。通过对比分析认为,平推式滑坡前缘剪出口地下水排泄状态呈少量点状排泄时,滑坡基底扬压力分布形态整体上与矩形更加接近。为了进一步校验理论公式,进行了第Ⅱ组、第Ⅲ组试验,每组分别固定初始水头高度和初始裂缝宽度,模型设置了前缘整体渗水和完全堵塞两种情况。物理模拟试验验证了理论公式的可靠性和适用性。将理论公式应用于狮子山滑坡运动距离的计算,应用结果表明计算公式适用性良好。研究成果对平推式滑坡防治具有一定的指导意义。     

珊瑚砂微生物固化体三轴压缩试验及损伤本构模型研究

利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术固化南海某岛礁的陆域吹填珊瑚砂,对珊瑚砂微生物固化体进行了三轴压缩试验,基于损伤力学理论建立了珊瑚砂微生物固化体的损伤本构模型。结果表明,利用MICP技术固化珊瑚砂效果好,强度高;固化体的三轴压缩应力–应变曲线可分为近似线弹性阶段、屈服阶段与延性流动阶段。将固化体划分为匀质微元进行损伤演化分析,根据连续介质损伤力学的有效应力理论与应变等效假说,定义了损伤变量,假定固化体强度服从双参数的Weibull分布及Druker-Prager准则,建立了损伤本构模型。模型参数包括固化体力学参数和Weibull分布参数,由三轴试验和线性回归法确定,并用试验资料初步验证了模型的合理性。     

考虑颗粒强度尺寸效应的原型堆石料破碎特性研究

高土石坝中，堆石体颗粒破碎是导致坝体变形的主要因素之一。但是由于原型坝料的颗粒尺寸较大，其破碎程度难以直接通过室内试验度量，因此通常要将原型级配缩尺为60 mm以下的小粒径级配堆石料，然后才能进行室内试验。而由于原型和试验级配差异较大，导致试验测得的参数往往和原型坝料实际参数有较大差异，因而影响了原型坝料力学特性的深入研究。这里提出了一种新的实时预测原型坝料破碎的方法。首先在颗粒尺度上，基于单粒强度的Weibull分布理论和颗粒分形破碎理论，阐述了原型堆石料级配演化的推求过程；然后通过单粒强度试验测得了相关参数，并与三轴试验测得的试样级配曲线对比，验证了参数选取的合理性；之后分析了颗粒强度离散程度对于原型坝料级配曲线形状的影响；最后，讨论了加载过程中原型级配和试验级配堆石体的相对破碎参量和受力状态的关系。     

内摩擦角对冻融岩石损伤本构模型的影响探讨

基于Weibull随机分布和损伤力学理论,从岩石变形全过程的特点入手,选用Drucker-Prager准则,建立能反映冻融岩石各变形阶段特征的损伤本构模型。通过冻融砂岩常规三轴压缩试验,运用Mohr应力圆,获得不同冻融循环次数下砂岩的黏聚力和内摩擦角;由模型理论曲线与冻融砂岩试验曲线对比分析,验证模型的合理性;通过变动内摩擦角,分析摩擦角对模型是否存在影响。结果表明:基于Drucker-Prager准则获得的理论曲线与试验曲线吻合较好,验证了模型的合理性;内摩擦角对分布变量的影响较大,且是线性关系,但对损伤本构模型没有影响或影响不大。研究成果对岩石本构关系的建立有较好的参考价值。      

Comparative study on three-dimensional statistical damage constitutive modified model of rock based on power function and Weibull distribution

According to the characteristics of the microscopic unit strength of rock with random distribution, the power function distribution, and the Weibull distribution which is widely used in the past as the distribution function of the strength of the rock. Based on the theory of rock damage and statistical strength theory, two damage constitutive models established under three different confining pressures are modified. Then, the damage constitutive modified model of two kinds of distribution is verified and compared with the existing three axis test data. The results show that: (1) In the stage of elastic deformation of rock, the two theoretical damage constitutive model curves are in high agreement with the three axis test curve; (2) The rock at the plastic stage (hardening and softening), damage constitutive model established by Weibull probability distribution and experimental curve fits better than the damage constitutive model established by power function distribution. Especially in high confining pressure, damage constitutive model based on Weibull distribution can well describe the rock deformation from brittle to ductile transition process and power function is not; (3) In the residual strength in rock, damage variable D of damage constitutive model based on power function distribution appeared more than 1, which is deviation from the actual one and damage constitutive model based on Weibull distribution is not deviating. To summarize, using Weibull distribution statistical probability model to describe the microscopic unit strength of rock is more reasonable.     

冻融循环作用下受荷青砂岩的脆性演化特征

为研究寒区受荷岩石的脆性演化特征，开展了青砂岩的冻融循环试验和三轴压缩试验，通过脆性评价指数将冻融循环作用下受荷砂岩的脆性程度进行了量化，分析了不同冻融循环次数和不同围压对岩石脆性指数的影响规律。基于青砂岩脆性指数对围压的敏感性规律，建立了以脆性劣化因子 和岩性特征量 为参数的脆性指数演化模型，并选取与该模型相同的函数模型对试验数据进行拟合验证。结果表明：同一冻融循环作用下，青砂岩的脆性程度随着围压增大而减弱，同时脆性指数变化速率对围压表现出较强的敏感性，围压越大，岩石脆性指数的衰减速率则越小；同一围压条件下，青砂岩的脆性随冻融循环次数增加而降低，单位冻融循环造成的脆性劣化效果随冻融循环次数增加而增强；脆性指数演化模型对冻融青砂岩以及常规黑砂岩、大理岩脆性指数的拟合数据具有较好的相关性，参数 和 的拟合数据很好地反映了不同冻融循环和不同类别岩石的脆性演化特征。     

考虑水化学损伤的砂岩流变损伤本构模型

通过对已有的水化学溶液腐蚀作用后红砂岩三轴蠕变试验结果的分析,可知水化学作用能够加快岩石损伤的发展,增强红砂岩的蠕变效应。根据水岩化学作用的动力学理论,将红砂岩中可溶解胶结物的流失作为水化学腐蚀作用下岩石力学性能劣化的根本原因。通过化学反应速率方程和测定浸泡过程中溶液pH值的变化,定义了考虑初始pH值和时间的化学损伤因子。考虑流变过程中的应力损伤,基于广义Kelvin模型,提出了考虑水化学作用的砂岩流变损伤本构模型。通过对水化学作用下红砂岩流变试验结果进行模拟,对该模型进行了参数辨识和验证。结果表明,所提出的模型能够较好地反映水化学作用下砂岩的流变特性,具有有效性和合理性。