裂隙岩体中弹性波传播特性试验及宏细观损伤本构模型研究

以不同加载方式下裂隙岩体中弹性波传播特性试验为基础,首先通过对比试验中弹性波波速、波幅与岩体宏观损伤的关系,给出了采用弹性波波幅来表征的裂隙岩体宏观损伤变量;其次利用统计强度理论定义了岩石的细观损伤变量,并基于连续损伤理论建立了宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型;最后结合试验数据对该模型进行了验证与分析。研究表明:完整岩体中细观裂隙的起裂和扩展对岩体中传播弹性波的波幅和波速的影响较小,而裂隙岩体中宏观裂隙的张开和闭合对弹性波波幅和波速的影响较大。裂隙岩体在外力作用下时,弹性波波速和波幅的变化规律类似,相较于弹性波波速,弹性波波幅对裂隙岩体宏观损伤的变化表现的更敏感,可用来定义裂隙岩体的宏观损伤变量。不同加载方式下裂隙岩体的损伤特性与宏、细观裂隙以及其所处的应力状态相关,基于宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型可以较好地反映不同加载方式下裂隙岩体的损伤力学特性。在三轴压缩试验中,宏观裂隙对岩体轴向压应力方向上损伤的影响主要体现在试验的中后期阶段,在三轴拉压试验中,宏观裂隙对岩体轴向拉应力方向上损伤的影响贯穿于试验全过程中。     

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…     

干湿循环作用下原状黄土力学性质及细观损伤研究

增湿-减湿循环作用是黄土地区工程发生病害的主要原因之一,探究增湿-减湿循环对黄土体结构损伤机理有重要的理论和工程意义。本文以延安地区的黄土为研究对象,开展不同含水率、不同次数的原状黄土增湿-减湿循环试验,分析干湿循环诱发黄土孔隙率、抗剪强度及其参数的变化规律,同时使用核磁共振技术获取黄土内部裂隙发展的损伤演化。结果表明:随着干湿循环次数的增多,土体呈现出孔隙率逐渐增大、液限和塑性指数相继减小、塑限基本不变的规律,究其原因是内部颗粒的集、散动态变化引发了黄土损伤;干湿循环次数和含水率的增加弱化了土体颗粒的胶结作用,使得抗剪强度、黏聚力和内摩擦角降低,当试样含水率超过塑限后下降趋势更加明显;黄土历经核磁共振表明,试样内部小于0.025 μm的微孔隙随着干湿循环次数的增加逐渐向0.025~0.63 μm的小孔隙组过渡,同时新生孔隙开始产生。     

岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究

设计基于扫描电镜（SEM）的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案,实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析,得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据,从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制,并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中,但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。     

卸荷条件下围岩的细观损伤及力学特性研究

为了获得卸荷破坏过程中巷道/隧道围岩的细观损伤演化规律及力学响应,使用颗粒离散元法对围岩卸荷内部细观损伤进行了数值模拟,结合卸荷试验厚壁圆筒围岩试样卸荷破坏特征,分析了初始应力对围岩破坏及力学特性的影响。研究发现：（1）卸荷诱发的裂纹分布于试件内孔壁周围,在卸荷应力调整影响下,裂纹聚集并逐渐向外壁发散扩展,呈现类似沙漏型的损伤破坏。（2）卸荷作用产生的裂隙数量随着应力增加呈现指数增长,且卸荷后裂隙数量增长速度显著高于卸荷过程中裂隙数量增长速度。（3）当卸荷应力低于围岩单轴峰值强度的80%时,卸荷过程中应力能够充分调整,且在卸荷后保持稳定;而当卸荷应力高于围岩单轴峰值强度时,卸荷过程中应力调整不充分,卸荷后一段时间内应力会继续调整,导致围岩破坏。（4）初始应力对围岩卸荷损伤破坏及力学特性影响显著,应力越大,卸荷后围岩出现损伤破裂的时间越早。     

拉伸荷载作用下岩石的细观损伤力学模型

本文建立了拉伸荷载作用下岩石的二维、轴对称和三维细观损伤力学的有效场模型，分析了岩石中的裂纹扩展过程，求得了损伤柔度的表达式，并给出了相应的算例，数值模拟结果与Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的计算结果以及实验结果进行了对比，结果表明Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的数值模拟结果与实验结果有较大的误差，而本文提出的数值模拟结果则与实验结果具有很好的一致性。     

化学腐蚀下砂岩三轴细观损伤机理及损伤变量分析

利用CT识别技术对化学腐蚀下的砂岩进行了三轴加载全过程的即时扫描试验，得到了在不同级荷载作用下砂岩的压密、微裂纹萌生、扩展和破裂的CT图像和CT数，分析了砂岩损伤演化的细观机理。同时，建立了一个基于化学腐蚀影响和CT数的损伤变量模型。     

基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在、微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,从而建立了基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的损伤本构模型。用宏细观损伤耦合的本构模型来描述非贯通裂隙岩体在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为,与非贯通裂隙岩体实际受荷情况符合较好。研究结果表明：（1）完整岩样和裂隙岩样的应力-应变行为在峰值强度之前差异较大,峰值强度以后差异逐渐减小,最后趋于一致,二者具有相近的残余强度;（2）裂隙岩体强度随裂隙贯通率的增加而增大,随裂隙倾角的变化具有明显的各向异性,同时还与裂隙面的内摩擦角有关;（3）裂隙倾角为90°时,裂隙岩样的峰值强度最高;张开型裂隙岩样的裂隙倾角为45°时,峰值强度最低;（4）非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,其力学性能由受荷细观损伤与裂隙宏观损伤及其耦合效应所决定,基于宏细观损伤耦合的复合损伤变量可以较好地反映非贯通裂隙岩样的力学特性。     

岩石在复杂荷载下的细观损伤模型

采用微裂纹扩展域的概念，准确地描述了岩石中微裂纹的损伤状态，解决了任意复杂加载路径下的岩石损伤演化问题，用有效场方法来计算岩石损伤柔度张量，反映了岩石微裂纹之间的相互作用。     

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。     

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。     

岩石材料微、细、宏观断裂机理尺度效应的分形研究

基于同一现场不同尺度的岩石材料,从大量三轴MTS试验岩石断口边痕、试样切割面或磨光面的节理痕迹和现场断裂迹线3个尺度层次,进行了岩石材料微、细、宏观断裂机理尺度效应的分形研究。提出圆与正方形相耦合的分形维数算法,探讨了其优越性并应用于岩石断裂的分形特征研究,得到岩石材料的微、细、宏观断裂机理存在无标度区域。在无标度区0.002 mm～4 000 mm内,岩石断裂构造的分布规律具有自相似性,是岩石材料的微、细、宏观断裂机理内在联系的外在反映,为跨越尺度界限研究岩石节理裂隙的破坏机理提供了可行途径。     

基于软硬石模板库的土石混合体细观损伤与力学特性分析

为了探究含软、硬两种岩性碎块石土石混合体的变形破坏过程与力学性质,发展了一种基于软硬石模板库的土石混合体建模方法。通过在PFC2D中建立符合原位结构特征的软硬石模板库,利用此模板库生成了不同含石量土石混合体颗粒流模型,对土石混合体进行了单轴压缩颗粒流模拟。结果表明：土石混合体破坏始于土-石接触面,土石介质分离大多因剪切破坏导致,加载前期微裂纹迅速增长,中、后期微裂纹增长速率减缓,但宏观变形渐趋显著;随着含石量的增加,土石混合体单轴抗压强度逐渐降低,块石的转动与侧向移动会加剧土石混合体的整体破坏;相同含石量下,随着软石比例的增加,单轴抗压强度呈下降趋势,试验后试样破裂率与单个软石颗粒的破裂程度均保持在较高水平,软石颗粒破裂是引起土石混合体单轴抗压强度降低的重要原因。     

筋土界面特性宏细观分析试验仪器研制与应用

为了更全面地分析筋土界面相互作用特性,改制了一台可视加筋土界面特性宏细观分析的试验仪器,可开展不同土工合成材料与填料的直剪和拉拔试验;该仪器改进了试验箱的尺寸,可方便两种试验的对比分析,增加了图像摄录系统,可进行试验过程的细观分析。使用新研制仪器分别进行了土工合成材料（土工格栅和土工布）加筋尾矿砂的直剪和拉拔试验,试验结果表明:两种试验条件下,土工格栅与尾矿的界面参数（似黏聚力和似摩擦角）及似摩擦系数均比土工布与尾矿的界面参数和似摩擦系数大;直剪试验下筋材网孔的有无对筋-尾矿界面参数均有较大影响,拉拔试验下筋材网孔有无对筋-尾矿界面参数似黏聚力的影响较为显著,对似摩擦角的影响较小。随着宏观变量法向应力的增加,细观参数孔隙率减小,平均接触数增加,反映在宏观上的现象就是填料颗粒被压密,筋材需要克服的阻力增大。该试验仪器能够较好地分析筋土界面宏细观特性,获得关键技术指标以用于加筋结构的设计。      

宏细观缺陷对岩体力学特性及边坡稳定影响研究

岩体是同时含有宏、细观缺陷的天然损伤地质体,如何更好地反映该两类缺陷对岩体力学特性的共同影响是亟待解决的一个重点和难点问题。采用FLAC3D中的弹脆性模型和Null模型分别描述完整岩石和上述两类缺陷的力学行为,用超细单元剖分计算模型的方法模拟岩体破坏,同时提出一个利用岩石孔隙率反映细观缺陷的新方法,研究细观缺陷即岩石孔隙率、裂隙倾角及长度等对裂隙岩体力学特性的影响。利用该方法研究了上述两类缺陷对岩质边坡临界滑面(CFS)及安全系数(FS)的影响。结果表明,宏观缺陷对岩体单轴压缩破坏模式、峰值强度和弹性模量起控制作用,同时控制岩质边坡的破坏模式和安全系数;尽管细观缺陷并不能改变宏观缺陷对岩体力学行为的控制作用,但其对这种控制作用将产生一定影响,宏细观缺陷以不同的作用机制对岩体力学特性产生影响。     

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。     

单轴拉伸条件下岩石本构理论研究

利用损伤力学理论研究了细观非均匀性岩石拉伸应力应变关系,包括:线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降阶段、应变软化阶段。所用的模型分析了岩石的细观各向异性对全过程应力应变关系的影响,分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果对比分析验证了模型的正确性和有效性。     

循环冲击下波阻抗定义岩石损伤变量的研究

在动静组合加载试验系统上,对有轴向预应力的岩石进行循环冲击时无法测量其声波波速,以致于不能用声波波速值的变化研究此过程中岩石的损伤演变特性,为此提出了基于岩石波阻抗定义其损伤变量的方法。在理论上证明裂隙岩石的密度和纵波波速间具有良好的正向相关性,在同一损伤过程中,岩石的波阻抗与其纵波波速的相对变化量接近,根据密度和纵波波速都能反映岩石损伤的现实,得出基于岩石波阻抗定义岩石损伤的方法是可行的结论,并给出其定义损伤变量的表达式。根据一维应力波理论,推导出由入射波和反射波或透射波求解波阻抗的表达式。对利用霍布金森压杆装置进行试验时应力波在岩石试件两界面间多次透反射的过程进行了分析,在此基础上,确定了由试验数据计算循环冲击过程中岩石波阻抗的方法。对岩石试件进行了无初始应力的循环冲击试验,测量了岩石在每次冲击后的纵波波速,得出了基于波阻抗和纵波波速定义的损伤变量具有相同的变化趋势的结论,并分析了二者之间有差别的原因。研究结果表明,在入射能大小接近的循环冲击过程中,利用波阻抗定义岩石损伤变量的方法是可行的     

单轴受压状态下钢纤维混凝土损伤本构模型研究

针对钢纤维混凝土在单调载荷条件下损伤行为的复杂性,根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理,得出了钢纤维混凝土损伤本构模型,基于试验数据,确定了模型参数。分析计算结果显示,该模型可以有效地描述单轴受压状态下钢纤维混凝土的损伤过程。