物理细胞自动机与岩石弹-脆-塑性性质的细观机制研究

基于能量守恒定律和岩石的基本力学性质,进一步发展了由作者提出的一种用于模拟岩石非线性破坏演化的新方法-物理细胞自动机（PCA）模型。该模型通过岩石内部（或细观）基元（或细胞）间简单的随机相互作用的综合结果来反映岩石系统整体的稳定宏观力学现象。利用PCA模型,研究了形成不同岩石本构关系的本质影响因素,揭示了岩石弹-脆-塑性性质的细观机制,为进一步认知岩石等非均质材料的力学性质提供了一种新的理论方法。同时,其研究思路和结论也可为微观和细观力学的数值模拟方法及新型复合材料的设计提供重要的借鉴。     

冻融红砂岩损伤演化多尺度分析

以红砂岩为研究对象,进行冻融循环、CT扫描及力学特性试验,采用图像处理技术结合遗传算法寻优模型实现了0、5、10、20、40 次冻融循环后 CT 扫描图像的去噪、增强、分割及三维重构处理,通过对同一对象跨尺度的损伤识别与对比研究,建立了基于细观损伤的弹性模量劣化预测公式,并从材料细观结构的物理本质诠释了冻融红砂岩宏观力学行为。结果表明：基于图像最大熵值的遗传算法能够快速精确地选取阈值进行图像分割,实现对岩石细观结构中基质和缺陷的识别;随着冻融次数增加,岩石孔隙率上升、孔隙分维下降,细观尺度上呈现出孔隙扩展、数量增多,但结构复杂程度下降的演化行为;传统方法以有效承载面积、弹性模量为度量基准定义的宏、细观损伤变量未能全面考虑损伤物理机制和材料内部结构信息,宏细观损伤演化曲线差异较大;基于2种物理机制定义细观损伤变量和考虑岩石天然损伤定义宏观损伤变量,实现了损伤的宏-细观结合。最后通过冻融循环过程中细观结构演化与宏观力学响应之间的关系,提出了弹性模量劣化预测公式,并分析冻融砂岩孔隙大小及孔隙结构形态变化在损伤过程中占据的不同主导作用,根据细观结构的物理机制解释宏观砂岩冻融破坏的力学机制。     

岩石类材料的能量基率相关弹塑性损伤模型

岩石类材料的动态本构模型研究是岩石动力学理论研究的基础问题。相比于其他的非线性理论,损伤力学理论已证实可成功地模拟岩石类材料的应变软化和渐进破坏等特征,可用于解释其静、动态破坏机制。现有的通过理论推导得出的动态本构中大部分并未考虑损伤因素,而通过维象学试验方法建立起的动态本构则缺乏损伤力学理论基础。为此基于弹性余能等效原理和损伤力学的基本概念,并结合动态试验,推导建立了岩石类材料的率相关弹塑性损伤模型。并通过与文献中的试验资料对比,证明了模型的有效性,为岩石类材料组成的结构的动力响应研究奠定了基础。     

岩石统计渗流模型和统计损伤本构模型研究

采用Eshelby等效夹杂方法建立考虑渗流的岩石损伤本构模型是一种有效方法,但相关文献目前还极少。利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法, 探索了考虑渗流和损伤的Helmholtz自由比能函数的确定,用连续介质损伤力学方法建立了相应的考虑渗流的岩石损伤统计本构模型,提出了考虑渗流和损伤过程的岩石破坏准则,建议了考虑损伤和应变的岩石渗透系数演化方程。与试验结果比较表明,所建立模型是合理的。     

拉应力条件下岩石细观力学本构模型和渗透系数张量研究(I):各向异性损伤本构模型

在拉应力作用下的考虑渗流的岩石本构模型研究尚且很少。采用细观力学研究了岩石损伤变形过程,考虑了渗流过程。由于选用了新的微裂纹扩展准则,提高了解方程效率;采用细观力学成果建立了考虑渗流的微裂纹面不连续变形对岩石变形影响规律,并采用断裂力学成果建立了考虑渗流的微裂纹应力强度因子;建立了同时考虑微裂纹扩展过程和渗流过程的岩石各向异性损伤本构模型,该模型也适用于岩体。     

非均匀岩石介质单轴压缩强度及变形破裂规律的数值模拟

以有限差分法(FDM)为计算框架,利用Weibull分布描述细观单元弹性模量和单轴抗压强度的分布特征,采用弹塑性应变软化本构模型描述细观单元的力学响应,进而建立一种模拟非均匀岩石介质破裂的数值模型。采用该数值模型探讨了单轴压缩时细观均质度m及细观结构对数值试样宏观特性的影响。结果表明,（1）随着细观均质度提高,数值模型的非线性特征逐渐减弱,脆性逐渐增强;宏观峰值强度及弹性模量逐渐增大,峰值强度与lnm呈线性关系,而弹性模量与1/m为线性关系;数值试样表现出由塑性流动破坏至剪切破坏进而为张拉破坏的破坏模式;（2）当细观均质度一定时,细观结构或细观单元空间排列是决定岩石力学行为波动性的主要因素;应力–应变曲线峰前阶段对细观单元的空间排列不敏感,但峰值强度附近及峰后阶段对细观单元的空间排列比较敏感。     

基于新型损伤定义的岩石损伤统计本构模型探讨

针对几何损伤理论中损伤定义的局限性与不足,对岩石损伤定义进行了改进;在此基础上,将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,建立出新型损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立出岩石统计损伤演化方程,进而建立起基于特定围压下的岩石损伤统计本构模型;然后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立了反映不同围压条件下的岩石损伤统计本构模型,并通过探讨模型参数的物理意义,初步建立了反映岩石软化与硬化特性相互转化的临界物理力学参数的确定方法。该模型能够反映岩石软化与硬化特性相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。     

岩土损伤力学宏细观试验研究

该书由葛修润、任建喜、蒲毅彬、马巍、孙红编著,科技出版社发行。主要介绍了作者利用自行设计、研制成功的 RMT系列岩石力学多功能试验机和与 CT 配套的专用实时加载试验设备在岩土损伤力学特性研究方面取得的成果,以及作者在冻土蠕变 CT 细观分析、黄土湿陷性 CT 探测、上海黏土 CT 检测试验方面的研究成果,涉及岩石连续加载损伤破坏机理、周期性荷载作用下岩石疲劳损伤破坏机理和不可逆变形机理、岩石卸载损伤破坏机理、岩石细观蠕变损伤演化特性、岩石损伤本构关系、冻土蠕变细观机理及黏土损伤力学特性等内容。 本书可作为土木…     

石灰岩细观力学特性的颗粒流模拟

岩体地区地质灾害的发生和发展取决于岩石细观组分的运动学行为。研究岩石运动学行为时通常将岩石作为整体研究对象较多,而直接以细观组分为对象的研究较少。以石灰岩为例,根据室内试验获得的岩石力学性质指标,使用基于非连续介质理论的颗粒流方法,将材料离散成刚性颗粒组成的模型,把颗粒细观变化与宏观力学特性联系起来,建立了石灰岩的细观结构模型,获得了颗粒接触力、颗粒接触模量、接触连接强度和连接刚度比等细观力学参数。由于文中直接以细观成分为研究对象、反映了岩石和岩体组成的本质特点,所得结论不仅对含裂隙岩石本构关系研究具有广阔的应用前景,而且对岩体工程性质和地质灾害机制研究也具有重要的理论意义。     

土石混合体细观特性研究现状及展望

土石混合体作为一种介于土体与破碎岩体之间的特殊地质材料越来越多地受到工程界及学术界的关注。土石混合体细观结构特性及物理力学特性的深入研究是当今工程建设的需要,也是理论岩土力学、计算岩土力学、试验岩土力学及应用岩土力学发展的必然。在总结国内外有关土石混合体研究现状的基础上,分别从土石混合体的细观结构特征、细观结构模型和细观力学特性3个方面对当前的研究成果进行了概括。在此基础上,总结了土石混合体细观特性研究方面存在的不足,指出开展不同细观尺度的实时加载试验,从不同试验尺度上研究土石混合体的局部变形特征是未来的研究方向; 建立土石混合体细观损伤演化方程和本构方程,加强土石混合体环境依赖性方面的研究,通过细观试验建立土石混合体三维精细结构模型,开展土石混合体开裂方面的仿真计算,加强细宏观力学特征的关系性分析,揭示实时加载条件下内部微结构的演化过程是未来研究的趋势。     

红层软岩模型试验相似材料的配比试验研究

相似模型试验是研究红层软岩工程性质的重要手段之一,其试验结果的可靠性依赖于相似材料的正确选择与合理配比。针对红层软岩遇水极易软化的特性,在传统相似材料配比基础上添加生石灰,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,以骨料中铁粉与钡粉质量比例、铁粉与钡粉总质量中铁粉的质量比例、石膏质量、生石灰质量为4个因素,每个因素设置了5个取值水平,共制作25组、610个试样。每组试样均测试了其软化系数、密度、无侧限单轴抗压强度、抗拉强度及黏聚力与内摩擦角等物理力学参数,并研究了这些参数随上述4个因素取值水平的不同而变化的规律。最后,基于上述结果,配制了3种典型的软岩相似材料,并分别开展了真实软岩材料的饱水软化平行对比试验。研究结果表明：（1）根据配比方案所配相似材料物理力学参数可基本满足软岩相似模型试验的要求;（2）相似材料物理力学参数变化规律明显,便于通过调节其配比模拟不同软岩材料;（3）三组对比试验中相似材料饱水软化系数与真实软岩具有较高吻合度。     

含缺陷空间变异性岩体裂纹扩展的近场动力学模拟

天然岩体内部含有微裂纹,其裂纹的发展贯通机制一直是岩石力学研究的热点问题。此外,岩体物理力学参数的空间变异性,也会影响其强度及破坏演化过程。本文采用了一种新的随机近场动力学方法(RPD),并对含缺陷岩体单轴压缩下的裂纹发展进行模拟,该方法结合了近场动力学方法在模拟裂纹发展及随机场方法在表征材料参数空间变异性方面的优势,使所建模型更接近真实岩体状态。利用MATLAB编程并依托含单一倾斜预制裂缝模型进行了计算程序的准确性验证。结果表明,所采用的随机近场动力学方法可以很好地模拟裂纹发展过程,预制裂缝倾角对后续裂纹发展有较大影响。此外,不考虑岩体物理力学材料参数空间变异性的存在时,会大大低估裂纹发展速度。     

IV级软弱围岩相似材料的试验研究

以IV级围岩为参照对象,研制可用于隧道围岩稳定性物理模型试验的软弱围岩相似材料。采用的5种原材料（重晶石粉、石膏、细砂、洗衣液和水）,通过直剪试验、无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验测得所配相似材料的强度特征和物理力学参数,包括黏聚力c、内摩擦角?、单轴抗压强度Rc、弹性模量E和泊松比?。首先,通过试验分析每种原材料的不同比例对所配相似材料强度特征及物理力学参数的影响,选择适合于模拟IV级围岩相似材料的原材料配比;其次,针对优选的材料配比所配制的相似材料,开展大量的三轴压缩试验,研究在不同围压下该相似材料的强度及其破坏特征。结果表明,含水率减少或石膏含量增加导致Rc、E和c明显增大,而?降低不明显;增加砂含量可增大E 和?,但Rc值减少;石膏含量对相似材料的脆性和延性影响最明显,而含水率对相似材料的强度影响最为突出。试验结果还表明,相似材料在低围压时呈现脆性,在高围压时呈延性;就破坏准则而言,试验所得结果小于Mohr-Coulomb准则,略大于Hoek-Brown准则,但更符合Hoek-Brown准则。研制软岩相似材料的试验数据可为下一步拟开展的隧道围岩稳定性模型试验和数值模拟提供重要的参考和依据。     

Micromechanical Model for Simulating the Fracture Process of Rock

Summary A micromechanical model is proposed to study the deformation and failure process of rock based on knowledge of heterogeneity of rock at the mesoscopic level. In this numerical model, the heterogeneity of rock at the mesoscopic level is considered by assuming the material properties in rock conform to the Weibull distribution. Elastic damage mechanics is used to describe the constitutive law of meso-level elements, the finite element method is employed as the basic stress analysis tool and the maximum tensile strain criterion as well as the Mohr-Coulomb criterion is utilized as the damage threshold. A simple method, similar to a smeared crack model, is used for tracing the crack propagation process and interaction of multiple cracks. Based on this model, a numerical simulation program named Rock Failure Process Analysis Code (RFPA) is developed. The influence of parameters that include the Weibull distribution parameters, constitutive parameters of meso-level elements and number of elements in the numerical model, are discussed in detail. It is shown that the homogeneity index is the most important factor to simulate material failure with this model. This model is able to capture the complete mechanical responses of rock, which includes the crack patterns associated with different loading stages and loading conditions, localization of deformation, stress redistribution and failure process. The numerical simulation of rock specimens under a variety of static loading conditions is presented, and the results compare well with experimental results.     

Stability Analysis of the 19A Ore Pass at Brunswick Mine Using a Two-Stage Numerical Modeling Approach

The longevity of ore pass systems is an important consideration in underground mines. This is controlled to a degree by the structural stability of an ore pass which can be compromised by changes in the stress regime and the degree of fracturing of the rock mass. A failure mechanism specific to ore pass systems is damage on the ore pass wall by impact load or wear by material flow. Structural, stress and material flow-induced failure mechanisms interact with severe repercussions, although in most cases one mechanism is more dominant. This paper aims to provide a better understanding of the interaction of ore pass failure mechanisms in an operating mine. This can provide an aid in the design of ore pass systems. A two-stage numerical approach was used for the back analysis of an ore pass at Brunswick mine in Canada. The first stage in the analysis relied on a 3D boundary element analysis to define the stress regime in the vicinity of the ore pass. The second stage used a synthetic rock mass (SRM) model, constructed from a discrete fracture network, generated from quantitative rock mass field data. The fracture network geometry was introduced into a bonded particle model, in a particle flow code (PFC). Subsequently, the ore pass was excavated within the SRM model. A stability analysis quantified the extent of rock mass failure around the ore pass due to the interaction of pre-existing fractures and the failure of the intact rock bridges between these fractures. The resulting asymmetric failure patterns along the length of the ore pass were controlled to a large degree by the in situ fractures. The influence of particle flow impact was integrated into the model by projecting a discrete rock fragment against the ore pass walls represented by the SRM model. The numerical results illustrated that material impact on ore pass walls resulted in localised damage and accelerated the stress-induced failure.     

基于重整化群方法的红层软岩损伤破坏逾渗阈值研究

逾渗现象广泛存在于大自然中,当物体中起决定性作用的关键变量变化至某一阈值时,其状态发生突变,此时关键变量的临界值称为逾渗阈值。岩石在水的作用下的损伤破坏过程中存在着逾渗现象,可通过重整化群的方法来研究。本文针对华南地区广泛分布的红层软岩,探讨了其在损伤过程中的逾渗现象与破坏的本质关联。通过对典型红层软岩的微观结构分析,概化出红层软岩的骨架构件和胶结物构件,建立红层软岩的重整化群模型的基本单元,将基本单元进行组合,建立出红层软岩的重整化群模型。根据重整化变换规则,推导计算出其逾渗阈值。研究表明:当红层软岩在荷载条件下的破坏临近逾渗阈值时,其内部结构发生大量破坏,软岩内部从无序损伤突变为有序损伤,继之损伤破坏加剧,由稳定破坏向非稳定破坏突变,最终导致其失稳破坏。研究对揭示红层软岩损伤破坏机理具有重要意义。     

基于逾渗模型的盐岩损伤与破坏研究

逾渗是一种分形模型,利用声发射点定位盐岩内部破坏网格来建立逾渗模型,可以分析三轴压缩条件下盐岩逾渗特征以及损伤演变发展。研究发现,各试样逾渗模型团簇(cluster)数与最大团簇占有率关系曲线斜率在70%应力峰值后基本相等,利用最大团簇沿试样轴向的延伸来描述裂缝的扩展规律,并通过最大团簇在轴向的延伸终点得到了各试样逾渗的临界破坏比率,它对于研究渗透陡增点非常重要。提出利用逾渗关联长度(关联长度?代表处于同一团簇中的两个点的平均距离)确定试样损伤起始点,并通过计算逾渗模型破坏比率得到损伤变量,它和基于AE振铃计数以及AE能量计算得到的损伤变量结果相近。研究结果表明,逾渗可以形象地表述岩石内部破裂过程和损伤情况,为研究岩石破坏失效及裂缝衍生发展提供了新的思路。     

Fuzzy-random probabilistic analysis of rock mass responses to explosive loads

This paper addresses the effects of randomness of initial damage in a rock mass and the critical tensile strain of the rock material on its dynamic responses and damage under explosive loads. A fuzzy definition is proposed to describe the fuzzy nature of failure phenomenon in a rock mass. The initial damage of the rock mass is estimated using the longitudinal and transverse elastic wave velocities. By using statistical analysis, the initial damage of the rock mass is found having the Beta distribution. The statistical estimation of a damage state and properties of randomly damaged rock mass are evaluated by the Rosenbluth's point estimate method. In numerical calculation, an isotropic continuum damage model with the initial damage and the cumulative damage dependent on an equivalent tensile strain is suggested to model the rock mass behavior under blast loads. A Beta distribution is proposed to represent the probabilistic distribution of the damage variable of the rock mass under explosive loads. Several types of membership functions are suggested to represent the fuzziness of material failure. Based on the fuzzy–random probabilistic theory, a model including both the effects of randomness and fuzziness is proposed for the failure analysis of rock mass under explosive loads. The suggested models are coded and linked with an available computer program AUTODYN2D through its user's subroutine capacity. The fuzzy failure probability and dynamic responses of the rock mass are calculated. Numerical results are compared with those obtained from independent field tests.     

岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法研究

数值计算中利用随机分布对各单元赋予不同的物理力学参数来考虑岩石的非均质性,赋值过程是纯随机的,并没有考虑岩石矿物组成的结构特征。故提出一种新的岩石非均质参数赋值方法--岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法,基于岩石矿物种类及其含量定义细胞元类别判定区间,利用Monte Carlo方法对各个细胞元进行矿物类别判定,并进行相应的参数赋值,通过各矿物细胞元的随机混合体来描述岩石的非均质性。该方法既考虑了组成岩石的矿物种类及其含量（结构特征）,又考虑了组成矿物在岩石中的随机分布特征。针对矿物分布的随机特征,利用两矿物细胞元混合模型和三矿物细胞元混合模型进行数值试验,研究了矿物细胞元随机分布特征对岩石宏观力学参数的影响。研究结果表明,岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法具有结构性和随机性的双重特性,其随机性不依赖于随机参数,岩石宏观力学参数受细胞元随机性特征的影响很小。     

Rock-soil slope stability analysis by two-phase random media and finite elements

To investigate the strong random nature of the geometric interfaces between soil and rock, a rock-soil slope is considered as a two-phase random medium. A nonlinear translation of a Gaussian field is utilized to simulate the two-phase random media, such that the soil(or rock) volume fraction and the inclination of the soil layer can be examined. The finite element method with random media incorporated as the material properties is used to determine the factor of safety of the rock-soil slope. Monte-Carlo simulations are used to estimate the statistical characteristics of the factor of safety. The failure mode of the rock-soil slope is examined by observing the maximum principal plastic strain at incipient slope failure. It is found that the critical surface of a rock-soil slope is fairly irregular, and it significantly differs from that of a pure soil slope. The factor of safety is sensitive to the soil volume faction, but it is predictable. The average factor of safety could be well predicted by the weighted harmonic average between the strength of soil and rock; the prediction model is practical and simple. Parametric studies on the inclination of the soil layer demonstrate that the most instable scenario occurs when the slope angle is consistent with the inclination of the soil layer.