综合考虑宏微观复合损伤的节理岩体本构模型

针对目前节理岩体损伤本构模型中仅考虑节理等宏观缺陷造成的损伤,而没有考虑岩块中微裂纹等微观损伤的不足,提出了综合考虑宏微观损伤的节理岩体本构模型。其中微观损伤模型采用基于应变强度理论和岩石微元强度服从Weibull分布假定的统计损伤模型,把其应用于被节理切割而成的岩块。而宏观损伤模型主要基于连续介质力学原理,把节理对岩体性质的劣化作为损伤来考虑。在考虑节理传压及传剪系数的基础上,提出了综合考虑宏微观复合损伤的节理岩体本构模型。算例表明宏观节理的存在大大削弱了岩体的强度,降低了其刚度,增大了其柔性。所提出的模型能够较好地反映宏微观两类损伤对岩体应力-应变关系及强度的影响,较为合理。     

基于复合损伤的节理岩体动态本构模型研究

基于运用霍普金森压杆（SHPB）装置对节理岩体动载试验得出的数据,从节理面倾角、贯通度、厚度、组数、填充物及应变率等不同方面分析各因素对节理岩体力学特性的影响,通过对节理岩体在高应变率下的损伤机制和破坏形式进行分析的基础上,基于复合损伤理论,对广义Bingham模型进行改进,构造了节理岩体材料在不同应变率下动态响应的本构模型,对模型计算和试验结果的比较表明,该模型能够很好地描述节理岩体动荷载下初始弹性变形阶段、稳态塑性变形阶段和加速变形破坏阶段的应力-应变关系,并且理论与试验结果吻合较好,从而证明了该模型的正确性和合理性。     

考虑损伤门槛的统计损伤本构模型研究

在统计损伤理论的基础上,从统计损伤本构模型的一般性公式出发,考虑到岩石的受力状态,提出统计损伤本构模型应考虑损伤门槛的影响,建立了考虑损伤门槛的统计损伤本构方程。以石膏角砾岩的常规三轴试验结果作为实例,进行了验证。理论计算结果与试验结果对比表明,考虑损伤门槛的统计损伤本构模型是更加合理的。     

节理岩体本构模型与强度理论的统计断裂力学分析

本文提出了节理岩体的三维本构模型、强度理论及破坏概率的表达式。这里把节理岩体视作等效的各向异性连续介质,其具有裂隙张量S_(ifst)和柔度张量C_(ifst)。为了获得本构模型、强度判据及破坏概率,这里引用了能量平衡方程ω=ω_0+ω_c、断裂力学能量判据、岩体节理统计理论及可靠性理论,并引入了剩余剪应力τ_n,有效应力σ_(if)及最可能出现的最大节理半径a_m等概念。这套理论的初步应用是令人满意的。     

双轴应力下非贯通节理岩体压缩损伤本构模型

针对目前节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理长度、倾角等几何性质,而未考虑节理抗剪强度等力学性质的不足,基于断裂力学中的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学中的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了在双轴应力下含单条非贯通闭合节理岩体的损伤变量计算公式,并根据断裂力学理论对双轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用,给出了单组单排及单组多排非贯通节理尖端应力强度因子计算公式,由此建立了相应的节理岩体双轴压缩损伤本构模型,并利用该模型进行了相应的算例分析。结果表明：对含单条非贯通闭合节理的岩体而言,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为0,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小;对含单组单排非贯通闭合节理的岩体而言,当节理总长度一定时,随着单条节理长度的减小及节理条数的增加,岩体损伤则逐渐减小,但其减小幅度与节理条数并不呈线性关系。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。     

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

考虑弹性模量变化的岩石统计损伤本构模型

为建立更为完善的岩石统计损伤本构模型,针对现有模型难以反映某些岩石在三轴试验条件下弹性模量随围压变化而改变的特性,从不同类型空隙对岩石变形性质的影响入手,深入分析了岩石弹性模量变化的机理,并在此基础上,依据弹性参数与岩石中未闭合裂隙数的关系建立了岩石弹性模量变化的分析方法。之后,引入统计损伤理论,考虑损伤阈值的影响和残余强度变形特征,建立了可模拟岩石变形全过程的统计损伤本构模型,并给出了基于三轴压缩试验曲线的模型参数确定方法。本文模型可反映岩石弹性模量随围压变化而改变的特性,且具备现有模型的优点,对岩石变形全过程模拟效果良好。最后,通过试验曲线与本文及同类模型理论曲线的对比分析,表明了本文模型的合理性与优越性。     

考虑损伤阀值影响的钢纤维混凝土损伤本构模型研究

从室内试验得到的不同体积率下的钢纤维混凝土全应力-应变曲线的特性,探讨了损伤变量的变化规律及建立钢纤维混凝土损伤本构模型时考虑损伤阀值影响的必要性。基于连续损伤力学理论和统计强度理论,在传统的两参数Weibull分布函数基础上引入损伤阀值参数（位置参数）,建立可考虑损伤阀值影响的钢纤维混凝土损伤本构模型,该模型可以反映钢纤维混凝土在低应力水平或变形较小时的线弹性变形特性;根据经验确定损伤阀值参数后,通过混凝土应力-应变全曲线的几何条件求解Weibull分布函数另外两个参数的表达式。最后,基于MATLAB的分析计算结果,并通过与钢纤维混凝土单轴压缩试验实测结果对比,证明模型可以很好的反映单轴受压状态下钢纤维混凝土的应力-应变关系,探讨了损伤阀值取值的大小。     

冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型

冻融交替对岩石宏观强度产生弱化。基于冻融循环条件下的压缩试验结果,利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化,建立岩土材料的损伤模型。结果表明:随着循环次数的增加,砂岩的力学强度参数均逐渐减小,抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到49.70%、83.40%,意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著;定义岩石综合损伤变量,得到损伤演化特征曲线,基于高斯函数变化特征,构建冻融循环条件下材料损伤本构模型,对比分析试验与模型曲线,发现该模型能够较好地描述试验结果。基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征,研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考。     

岩石弹脆性分维损伤本构模型

本文定义岩石构元中破裂面的分维值为各向同性损伤变量,而各个方向上裂纹面的累加量定义为各向异性损伤变量,并根据裂纹发育特征提出了损伤变量演化方程,从而建立起岩石脆性变形破坏过程的分维损伤本构模型。最后,利用该模型对大理岩单轴压缩应力应变曲线进行了模拟,结果说明本文提出的模型是较为合理的。     

延安Q2黄土统计损伤本构模型研究

中国黄土的物理力学性质改变具有明显的地域性,是一种特殊土体。以延安Q2黄土在不同围压和含水量下进行常规三轴试验获得的数据为基础,运用岩石统计损伤理论对延安Q2黄土的损伤本构模型进行研究。在考虑损伤门槛值对延安Q2黄土损伤变量的影响下,建立了延安Q2黄土在三轴压缩条件下的统计损伤本构模型,统计损伤本构方程中的参数通过对试验结果进行线性回归求得。试验和分析表明:在半对数坐标下,延安Q2黄土初始损伤点为三轴应力应变曲线的峰值拐点,对应的应力值为损伤应力门槛值。当施加的应力低于损伤门槛值时,应力应变曲线为线弹性关系,延安Q2黄土不发生损伤; 而当施加的应力超过损伤门槛值时,延安Q2黄土发生损伤,并且随着施加的应力增大,损伤不断扩大。将统计损伤理论曲线与试验曲线进行对比,发现二者基本吻合,表明考虑损伤门槛值的延安Q2黄土统计损伤本构模型能较好的反映该地区黄土的变形破坏特征,对该区黄土地区岩土工程设计具有参考和借鉴作用。     

渤海地区岩样的试验研究以及新型岩石损伤本构模型的建立

针对渤海地区油气资源的开采困难以及现有岩石损伤本构模型的理论体系的不足等问题,该文对渤海岩石取样进行试验研究,根据试验所得参数建立了一种新型的岩石损伤本构模型。首先,利用岩石三轴测试仪对所取岩样进行变温度、变围压测试,获得岩样的全应力-应变曲线,并计算出岩样的泊松比、弹性模量以及最大应力差。其次,利用图解法作莫尔应力圆,确定岩样的黏结力和内摩擦角。最后,根据试验部分数据建立一种新型岩石损伤本构模型。该模型参数少,计算简便,将所建模型的计算结果与试验所得全应力-应变曲线进行验证,验证了所建岩石损伤本构模型的准确性。研究结论可为岩石损伤模型的完善以及现场石油资源的高效开采提供试验和理论支撑。     

冻融循环作用下砂岩蠕变特性及损伤模型研究

青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。     

黄土损伤与流变耦合模型及参数研究

以试验为基础,对不同含水量Q3黄土的蠕变特征进行了分析研究,结合黄土结构损伤特性及其对黄土力学特征影响,通过考虑结构损伤对变形模量的劣化来反映黄土结构性对蠕变规律的影响,提出了黄土损伤与流变耦合作用的本构模型。该模型不仅具有参数少的优点,而且能够准确描述黄土的突发性破坏特征。利用结构性软土流变的研究成果,给出了黄土流变模型参数的确定方法,并对模型参数随非饱和黄土含水量变化的规律进行了研究。数值模拟结果表明,该模型能够很好地描述黄土的加速蠕变阶段的变形特征。     

考虑颗粒破碎的冻结砂土非线性本构模型研究

颗粒破碎是粒状材料在高应力状态下的一种基本现象。为了研究冻结砂土中颗粒破碎对应力应变关系的影响,将冻结砂土视为复合颗粒材料,忽略冰的压融,考虑内摩擦角随应力状态的变化,构建一个适用于冻结砂土的考虑颗粒破碎的非线性本构模型。构建过程分为三步,首先是基于三轴剪切前后颗粒分析对冻结砂土颗粒破碎模式和产生机理进行探讨;其次是基于考虑颗粒破碎的能量平衡方程,对冻土在三轴剪切试验过程中的颗粒破碎耗能进行分析,结果表明颗粒破碎耗能随轴向应变呈双曲线变化趋势;最后应用考虑颗粒破碎的剪胀方程修正沈珠江三参数非线性模型中的体积切线模量ν_t,得到一个考虑颗粒破碎的非线性本构模型,模型参数可以通过单轴压缩试验和常规三轴试验确定。将原模型和修正后模型的计算结果与控制温度为-6℃,围压为1 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa时冻结砂土的试验结果进行对比,结果表明该模型能够较好的模拟冻结砂土从低围压到高围压的应变软化特征与剪胀特征。      

岩石的塑性、损伤及其本构表述

在工程条件下(常温、中低围压),岩石塑性变形和损伤变量的微观机制都是岩石构元中微裂纹的萌生和发育,因而塑性变形与损伤在岩石材料中应是同时出现的,它们的演化规律应是相互耦合的。在此基础上本文建立了岩石材料弹塑性损伤本构模型的理论框架。在这个框架中,由于损伤的出现,塑性变形率与屈服面是非正交的,而最后得到的本构矩阵具有对称性。非正交性与通常的实验资料一致。本构矩阵的对称性对数值分析和理论研究都是至关重要的。     

泥石流本构模型及动力学模拟研究现状综述

由于泥石流动力学过程的复杂性,其本构模型及数值模拟研究仍然存在众多的难点问题。本文根据大量的文献资料和实例研究,对目前泥石流本构模型和动力学模拟研究现状和存在的问题进行了综合论述,主要包括:(1)已有泥石流动力学本构模型原理及适用性问题;(2)已有数值模拟方法的实现及选择应用;(3)泥石流动力学复杂环境效应研究,复杂地形和水文环境条件下的泥石流应力分布、动能传递等。最后对泥石流动力学G IS模拟的前景进行了讨论。     

基于统计损伤模型的直立层状岩质边坡失稳模型

根据直立层状岩石边坡的实际失稳模式,基于欧拉压杆失稳模型建立了直立层状岩石边坡在自重荷载作用下的失稳计算模型及临界高度计算方法。同时基于岩石内部含有初始损伤的客观事实,建立了基于统计损伤模型的直立层状岩石边坡失稳模型,并对两种不同模型的计算结果进行了讨论。研究结果表明,根据自重荷载作用下的失稳计算模型计算得到的直立岩质边坡溃屈失稳破坏临界高度约为其他研究者相应计算结果的75%,更符合边坡的实际受力特征及破坏情况。基于岩石统计损伤本构模型提出的直立层状岩石边坡失稳模型不但考虑了岩石的弹性模量等参数,而且结合了应力-应变曲线等特征,得出的结果也更符合实际。研究还发现计算参数m、ε0的变化对计算结果有较大影响,说明在类似问题中考虑岩石的损伤演化特性十分必要。     

节理岩体能量损伤本构模型与工程应用

本文根据Betti能量互易定理,节理岩体能量损伤演化方程,广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了节理岩体的能量损伤本构模型,并将该模型编制成三维非线性有限元计算程序应用于溪洛渡地下厂房洞室群施工开挖稳定性分析,获得了较为满意的计算结果。