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。     

孔隙流体对岩体变形局部化的影响及数值模拟研究

本文首先叙述了孔隙流体对固体变形局部化影响的若干研究进展,并利用三维连续体快速拉格朗日分析,模拟了孔隙压力对岩体变形局部化应变场(剪切带)的影响。数值模拟结果表明,孔隙压力对变形局部化应变场有较大影响,随着孔隙压力的增加剪切带趋于不明显,岩体试件倾向于发生拉伸破坏。      

势接触法中法向刚度系数取值研究及岩层运动过程模拟

采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,只有法向刚度系数正确取值,势接触力才更可靠。为了模拟时间较长的开采过程和解决煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,采用了准静力模式和应力跌落方法。为了有助于正确选择适于模拟岩层相互作用的法向刚度系数,首先对其进行了标定,以考察嵌入引起的误差的影响。然后设计了4组（上相对较软-下相对较硬、两相对较软、上相对较硬-下相对较软和两相对较硬）两岩块撞击-平衡过程的数值试验,并以其中一组为例进行了重点分析。通过考察两岩块的嵌入量和上岩块下表面的平均应力的演化以及上块从运动到平衡的时长,最终得到了具有普适性的结果,即法向刚度系数与弹性模量的比值为15 m-1时较为适当。为了检验上述建议值是否适于模拟采场岩层运动,以某煤矿1141工作面为例进行了计算。研究发现,在法向刚度系数取为建议值时,计算结果较为合理,且计算效率较高。     

屈服矿柱渐进破坏及应力分布数值模拟

采用拉格朗日元法,在矿柱端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了屈服矿柱的剪切带图案、渐进破坏特征、水平应力及垂直应力分布及演变。在弹性阶段,煤的本构关系为线弹性。峰值强度后煤的本构模型取为莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。数值计算结果表明,矿柱具有渐进破坏特征。破坏首先以剪切带的形式发生在矿柱的4个角上。然后,矿柱两帮的剪切带逐渐向矿柱内部发展,形成两套剪切带网络,直到两套网络重叠,并进一步演化。倾斜的剪切带多次穿透矿柱。当矿柱处于峰值强度后,矿柱水平及垂直应力分布曲面已经变得凹凸不平。凹陷、凸起区分别对应剪切带中心及边缘。矿柱中部的水平应力较边缘大。因此,其边缘的强度较中心低。严格地讲,水平及垂直应力的分布不是单调的,呈现锯齿型。其原因是矿柱发生了条带状局部破坏。矿柱承载能力的不均匀性由矿柱水平应力的不均匀性所决定。     

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。     

岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究

试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案。采用FLAC - 3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响。试样端部的缚束作用较强时 ,仅在试样中部出现X形的剪切带 ;反之 ,在试样端部出现了倾斜的剪切带。压头刚性越大 ,剪切带倾角越大。块体具有整体平移的特性 ,剪切带边缘位移梯度却较大 ,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质。数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证。     

材料缺陷对岩样变形局部化影响的数值模拟

在平面应变压缩条件下,采用拉格朗日元法研究了材料缺陷对岩样应变局部化及宏观力学行为的影响。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。对于理想岩样（不含任何缺陷）,从剪切应变率的等值线图及变形网格图发现,变形场相对试样垂直对称轴对称。在试样的边界上设置材料缺陷后,变形场的对称性被打破。材料缺陷附近是局部化现象启动的主要位置。与不含材料缺陷试样相比,含缺陷试样的局部化提前启动。当缺陷位于试样左边界中部附近时,试样内部出现多条剪切带,发生韧性剪切破坏,峰后应力-轴向应变曲线和应力-侧向应变曲线均倾向于韧性,岩样的稳定性增强;当缺陷位于试样上、下端面附近时,仅出现一条贯穿试样左右边界的剪切带,发生脆性剪切破坏,峰后两种曲线倾向于脆性,易发生失稳破坏。从数值结果中还观测到了剪切带的跳跃或迁移现象及剪切带的相互竞争、此消彼涨的现象。当岩样中不包含任何缺陷时,试样应力-变形曲线的峰值强度最高。随着缺陷的上移,峰值强度下降,直到峰值强度基本保持不变。缺陷越接近于岩样的下端,对岩样应力-变形曲线的峰值强度的影响越小。     

平面应变状态下岩石剪切带网络数值模拟研究

研究了围压、端面约束、试件高度及界面特性对剪切带网络形成的影响。首先对影响剪切带网络形成的因素（包括试件高度、围压及温度、试件端部轴向应变大小的计算方法的差异）进行了分析。之后采用FLAC 3D对平面剪切带网络进行了数值模拟,其中摩擦角及内聚力为应变软化。探讨了倾向于出现剪切带网络的若干条件。若端面缚束较强且存在一定的侧压力,试件中部出现多重剪切带。若端面缚束较弱,试件端部易于形成剪切带网络,且随试件高度的增加剪切带条数增加。界面法向和切向刚度越大,剪切带穿越断层并按其固有方向延伸能力越强,剪切带网络格局越明显。获得的数值结果可在实验中找到佐证,并且可以用来解释地震中的一些剪切应变局部化现象。     

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。     

颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及界面参数对它的影响

采用连续介质快速拉格朗日分析程序（FLAC）,模拟了颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及破坏过程。颗粒及它们之间的界面被离散为尺寸相同的单元。颗粒被视为各向同性的弹性材料,而界面被视为弹性-应变软化-理想塑性材料。界面完全破坏之后,其内聚力为零而内摩擦角不为零,因而适于模拟颗粒之间的摩擦行为。在双轴压缩条件下的计算结果表明,压应力通过颗粒之间的接触,以应力线的方式在试样的垂直方向上传递,最终形成了清晰、有序的图案,而剪切应变增量的高值区主要位于一些界面上。从剪切应变增量的高值区中能发现试样中的最薄弱环节。此外,还研究了试样两侧的压应力、界面的初始内聚力及内摩擦角对试样的应力—时步曲线的影响。