基于裂纹体应变的深埋大理岩加、卸荷破坏机制研究

为了弄清深埋硬岩的加、卸荷破坏机制,系统开展了深埋大理岩的常规三轴试验、保持 不变的卸围压试验和变 的卸围压试验等。以裂纹体应变为主要分析变量,结合体应变、等效塑性应变等参量深入分析上述不同应力路径下硬岩的破坏过程。运用裂纹体应变-轴向应变曲线、等效塑性应变-轴向应变曲线和轴向应力-应变曲线来解释岩石破坏过程所产生的现象与规律。结果表明：在裂纹闭合阶段岩样裂纹闭合的变化程度（裂纹体应变改变的大小）可以反映岩石的初始损伤程度;裂纹闭合阶段对岩石弹性模量的计算有重要的影响,需要根据合适的阶段划分,消除裂纹闭合阶段对弹性模量计算的影响,进而得到较为准确的弹性模量;在卸围压点处岩石的可闭合程度突然增加,裂纹体应变-轴向应变曲线发生突变;岩石卸荷破坏过程中裂纹扩展存在滞后性。研究成果有助于进一步理解深埋硬岩的加、卸荷破坏过程和机制,为深埋隧洞的灾害防治提供理论依据。     

冻结和林黄土力学性质的试验研究

对饱和冻结和林黄土在-2℃的温度条件下进行了单轴压缩试验和围压范围为1~5MPa的三轴压缩试验。试验结果表明：单轴压缩的应力应变曲线为应变软化型曲线,而三轴压缩试验中各围压下的应力应变曲线均为应变硬化型曲线,围压主要影响冻结和林黄土的初始变形行为,而对后期的变形影响不大;各围压下冻结黄土的体积应变都呈现出先体缩后体胀的特征,总体变均较小;围压对冻结和林黄土的屈服极限和强度影响不大;研究了初始切线模量的确定方法,用修正的Duncan-Chang模型对不同应变范围内的试验数据进行拟合,并由此确定了相应的初始切线模量,发现在0~4%应变范围拟合试验数据确定初始切线模量最为合理。     

模拟应变软化岩石三轴试验过程曲线

在经典弹塑性理论框架下,认为岩石材料在应变软化过程中遵守摩尔-库仑强度准则,塑性变形服从非关联流动法则。对两组岩石在三轴试验中呈现的应变软化行为进行了分析,获取了峰值前后强度参数的大小。采用应变软化模拟方法,将应力-应变曲线峰后应变软化阶段简化为一系列应力跌落和塑性流动的脆塑性过程,在给定的强度参数演化规律基础上,得到了岩石的应力-应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体应变-轴向应变曲线和塑性体应变-轴向塑性应变曲线。模拟得到的应力-应变曲线与试验结果吻合较好,其他曲线与相关试验测试规律基本一致。研究成果对确定岩石强度参数与认识岩石峰后强度演化规律有一定的指导意义。     

单轴压缩下花岗岩声发射-红外特征及损伤演化试验研究

采用声发射、热红外技术联合监测花岗岩单轴压缩过程,分析岩石破裂过程声发射、红外辐射变化规律。从内部损伤和表面损伤两个角度,分别建立了基于声发射和红外辐射的岩石损伤变量解析表达式,并根据二者在不同阶段的互补性,建立了分段曲线损伤模型,分析单轴压缩下岩石的损伤演化特征。研究结果表明,（1）岩石损伤演化过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段3个阶段,初始损伤阶段内部损伤和表面损伤都没有发展,损伤稳定发展阶段,内部微损伤不断积聚,表面损伤仍没有发展,损伤加速发展阶段内部损伤和表面损伤均快速增大。相比内部损伤,表面损伤异常增大时间较早;（2）对比分段曲线损伤模型计算出的应力-应变曲线与试验应力-应变曲线发现两者的趋势大致相同,定义的损伤变量较为合理,能够较好地反映岩石内部裂纹缺陷产生、发展直至破坏的渐进演化过程。     

单轴压缩下花岗岩声发射、红外特征及损伤演化试验研究

采用声发射、热红外技术联合监测花岗岩单轴压缩过程,分析岩石破裂过程声发射、红外辐射变化规律。从内部损伤和表面损伤两个角度,分别建立了基于声发射和红外辐射的岩石损伤变量解析表达式,并根据二者在不同阶段的互补性,建立了分段曲线损伤模型,分析单轴压缩下岩石的损伤演化特征。研究结果表明,(1)岩石损伤演化过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段3个阶段,初始损伤阶段内部损伤和表面损伤都没有发展,损伤稳定发展阶段,内部微损伤不断积聚,表面损伤仍没有发展,损伤加速发展阶段内部损伤和表面损伤均快速增大。相比内部损伤,表面损伤异常增大时间较早;(2)对比分段曲线损伤模型计算出的应力-应变曲线与试验应力-应变曲线发现两者的趋势大致相同,定义的损伤变量较为合理,能够较好地反映岩石内部裂纹缺陷产生、发展直至破坏的渐进演化过程。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

无黏性土压缩曲线的一种数学模式

总结和分析了已有考虑状态相关的无黏性土压缩曲线数学模式做了。进行了不同初始密度砂土的等向压缩试验,提出了一个新的状态相关压缩曲线数学模式。该数学模式能够反映无黏性土不同初始状态等向压缩下的应力-应变关系,参数物理意义明确、试验确定方法简单、方便。利用4种不同砂土的等向压缩试验数据,验证了所提出的数学模式的合理性和有效性。该模式可应用于一般应力、应变条件下状态相关本构模型的建立     

基于全应力-应变曲线的软岩蠕变寿命估计

软岩的蠕变寿命是岩石流变学研究的重要内容之一,是影响岩土工程长期稳定的重要因素。根据Goodman原理,蠕变破坏点位于全应力-应变曲线的下降段（破坏段）上。当等时应力-应变曲线簇用分离变量函数表达时,证明了对于给定应变 处的等时应力-应变曲线的切线模量比和割线模量比随时间的变化规律相同。将破坏段曲线简化为直线,等时应力-应变曲线与破坏段的交点（蠕变破坏点）近似等于等时应力-应变曲线上某点 的切线与下降段直线的交点,进而推导出了该交点的蠕变寿命的表达式。 越接近峰值应变,误差越小。这样,可由短时蠕变曲线簇变换到等时应力-应变曲线簇,通过拟合方法求出给定应变 下模量比随时间变化的表达式;再由全应力-应变曲线求出峰值应力与应变、给定应变 下的应力与切线模量、下降段直线斜率等参数;即可得到软岩的蠕变寿命和长期强度。利用本文方法,对某泥岩的蠕变寿命进行了求解,得到了蠕变寿命随应力水平变化的表达式和长期强度值,理论结果与试验结果较吻合。     

一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

压实黄土非线性压缩应力-应变关系在地基沉降计算中的应用

目前以压缩试验得到的e-p曲线为基础的分层总和法仍然是地基沉降分析中最常用的方法。割线模量法是近年来为人们所熟知的计算地基沉降的新方法,具有不受初始孔隙比影响、便于电算等优点。传统的割线模量法将土体的压缩应力-应变关系视为双曲线形式。通过对压实黄土压缩应力-应变关系曲线的研究和对传统割线模量法计算的割线模量与压缩模量的比较表明,导致割线模量法和e-p曲线法计算结果差异的主要原因是土体压缩应力-应变关系符合双曲线的假定,将压实黄土的应力-应变关系用更符合实际情况的幂函数进行拟合,得到了基于幂函数形式的压缩应力-应变关系曲线的沉降量计算公式,并结合具体工程进行了沉降计算对比分析,将割线模量法进行了推广应用。     

考虑结构性影响的原状黄土本构关系

将三轴应力条件下同一应变的原状黄土主应力差与扰动饱和黄土主应力差之比定义了一个定量化结构性参数 ,它综合反映了土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势。结构性参数的变化量与轴应变关系可以用双曲线来拟合,由此所得到的结构性参数表达式可以反映围压、湿度、密度、应力和应变对结构性的影响。结构性参数对不同含水率下原状黄土的应力-应变曲线有很好的归一化作用,归一化后的结构性应力-应变曲线可用符合邓肯-张模型的扰动饱和土应力-应变关系来描述。在扰动饱和土本构关系中引入结构性参数所得到的原状黄土本构关系能够考虑原状黄土结构性的影响,且可以描述软化型和硬化型的应力-应变关系,计算结果与试验结果之间吻合较好。     

膨胀土临界状态强度特性及其模型拟合

针对蒙自地区膨胀土,进行了饱和重塑条件下的固结排水(CD)与固结不排水(CU)试验,系统研究了饱和土在不同固结围压3、初始干密度d、初始含水量0、剪切速率、排水条件下的应力应变特性。通过对临界状态试验结果的归一化处理,揭示了不同试验方法对同一土样抗剪强度量测差异的内在统一性,得到了重塑饱和膨胀土在固结排水与不排水条件下p'-q-空间内的破坏线。利用双曲线模型较好地拟合了弱硬化型应力应变曲线,用指数曲线模型拟合了弱软化型应力应变曲线,为模拟边坡在降雨条件下的抗剪强度变化及构筑物土体处于正常水位时的强度状态等工况提供了技术参数与理论支持。     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

湿陷性黄土结构性变形特性分析

基于结构性黄土应力应变特性认识和大量试验结果的分析,揭示了黄土结构性参数与应变、含水率、固结压力之间的关系,并给出了结构性参数的数学表达式。将该式引入结构性黄土应力应变特性分析,提出了考虑结构性参数的应力-应变关系。分析计算所得的应力-应变关系与试验结果有较好的一致性,说明了原状黄土结构性参数描述的合理性和基于结构性参数应力-应变关系的合理性。     

负乘幂本构模型的切线模量

邓肯-张模型假设土体应力-应变关系符合双曲线关系,而且假定相关参数与围压的关系也是某种固定关系,这样的做法不仅违反了土体性质多样的现实,也容易造成模型与试验结果不符,引起误差。为此,提出了通过常用软件试算获取参数及直接寻求参数与围压最佳关系函数的思想,改变了参数与围压只有一种固定关系的思路。在邓肯-张模型基础上提出了负乘幂本构模型,它能够通过调整一个参数实现曲线形式的变化,从而体现出土体应力-应变关系的多样性;负乘幂模型采用前面提及的思想来获取参数,经过推导得到了该模型的切线模量公式。通过比较,证明负乘幂模型能够更好地与试验曲线吻合。     

土的应力-应变关系的一种描述模式

通常将由土的剪切试验测得的应力-应变关系曲线(q~ε1曲线)分为应变硬化型和应变软化型,文中提出了一种能同时描述应变硬化型q~ε1曲线和应变软化型q~ε1曲线的新模式,并导出了统一的切线模量表达式,进一步探讨了该应力-应变关系曲线描述模式在拟合应变硬化型曲线时的简化形式,及简化形式中参数取值方法和参数与围压的关系等方面的问题。通过与邓肯-张模型和应变软化模型的对比,结果表明该应力-应变关系曲线描述模式能更好地与试验数据吻合,且用其简化形式拟合应变硬化型曲线时,可以通过调整其中一个参数值来表达出不同的曲线形式,从而体现出土体应力-应变关系的多样性。该应力-应变关系描述模式为发展更一般的非线性弹性模型提供了一定的理论基础。     

基于饱和度的湿陷性黄土邓肯-张模型参数变化规律研究

目前,对于黄土邓肯-张本构模型参数与饱和度的相关研究还不够深入,在工程中还没有被广泛应用。针对晋南湿陷性黄土进行固结排水三轴剪切试验,主要研究土体饱和度对邓肯-张模型参数的影响规律。试验结果表明:随着围压的增大,应力-应变曲线由弱硬化型转化为强硬化型,土体体变增大; 模型参数C、、K、G、F、D、Rf均随饱和度的增大而减小,参数n随饱和度的增大而增大,且曲线拟合情况均较好。     

循环荷载下砂土的剪切硬化边界面本构模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于往返循环荷载作用的砂土边界面本构模型。采用无纯弹性域假设,认为受到反向荷载的瞬时土体就产生塑性变形,砂土的弹性区域退化为一个点。屈服面为倒子弹头型,由于砂土孔隙比与压力之间不存在惟一对应的关系,使得屈服面大小无法与体积应变直接耦合,故采用塑性偏应变而不是剑桥模型那种塑性体应变作为硬化参数。流动法则采用加入状态参数的修正的Rowe应力剪胀关系,体现了依赖状态的剪胀思想。屈服面大小的比值 反映了塑性模量的演化,并推导了 的表达式。只用1套参数,该模型就能合理地模拟砂土在不同密度和固结压力下循环荷载的应力-应变关系曲线。     

较低和较高围压下煤岩三轴试验及其塑性特征新表述

对煤岩进行了较低和较高多个围压下的常规三轴加卸载试验研究,给出了系统的试验成果。试验表明,较低围压下,卸载路径和加载路径几乎完全重合,煤岩应力-应变特性呈现明显的线弹性特征,并表现出一定的脆性破坏特性;而较高围压下,应力-应变呈现明显的非线性特征,卸载路径不再原路返回,呈明显的塑性变形特征。为了定量刻画煤岩的塑性硬化特性,提出了根据硬化参量的几何意义计算其值的方法,并选择累积塑性应变作为塑性硬化参量,计算了27 MPa围压下试验曲线的硬化参量,作为对比还计算了采用直接卸载法计算的该试验曲线的累积塑性应变值。结果发现,随着轴向变形逐渐增加,煤岩的塑性硬化逐渐增长,并且用该方法计算出的塑性硬化参量远大于用直接卸载法计算的结果。由于该方法完全符合路径积分的限制条件,因此,更加合理。     

以塑性功为硬化参数的Q2原状黄土弹塑性模拟

为了研究非饱和Q2原状黄土的力学特性,通过三轴压缩试验、各向等压试验和三轴试验卸载、再加载试验获得Q2原状黄土的力学参数,并结合弹塑性力学理论,推导出Q2原状黄土的屈服函数和以塑性功为硬化参数的硬化规律,采用相关联流动规则,建立非饱和Q2原状黄土弹塑性本构模型。通过模型计算与试验实测值比较,表明该模型基本上能反映Q2原状黄土的力学特性。