基于VMIB的岩石围压破坏二维多尺度数值模拟

VMIB (Virtual Multi-dimensional Internal Bonds)模型是在VIB(Virtual Internal Bond) 模型基础上发展起来的一种多尺度力学模型。VIB认为,固体材料在微观上是由随机分布的质量微粒（Material particle）构成,微粒与微粒之间由一虚内键（virtual internal bond）连结,材料的宏观本构方程则直接由微粒之间的连结法则（Cohesive law）导出。而在VMIB中,微粒之间引入了切向效应,材料的宏观本构方程由虚内键刚度系数导出。由于考虑了微粒之间的切向效应,VMIB能够再现材料不同泊松比。依据VMIB,材料的宏观力学行为决定于微观虚内键的演化。岩石材料在围压条件下强度显著增强,破坏模式一般表现为剪切破坏,其微观机制在于虚内键的演化决定于自身的法向和切向变形,并且演化速度决定于连续层次上材料微元的应力状态。为描述这种微观虚内键的演化机制,提出了一种虚内键演化方程。通过该演化方程,可以宏观再现岩石材料在围压条件下的断裂破坏行为。作为初步应用,没有考虑材料的塑性变形机制,因此,还有待于进一步的理论完善。     

中低应变率加载条件下花岗岩尺寸效应的能量特征研究

能量相互转化过程的综合作用导致了岩石破坏,而其破坏的根本原因是岩石中储存的应变能的释放。对中低应变率加载条件下岩石尺寸效应能量特征的研究结果表明：花岗岩破坏时吸收的总能量U、弹性应变能Ue以及损伤应变能Ud均随试件尺寸的增长而降低;岩石强度与岩石中储存的能量有关,尤其与弹性储能有关,即弹性应变能愈高,岩石强度越大;试件长度由50 mm 变为125 mm时,弹性储能逐渐降低,岩石破坏形态从劈裂破坏变为剪切破坏,大尺寸时局部化变形明显。能量是不同应变率加载条件下岩石破坏细微观及宏观特征存在差异的内在动力;亦是导致岩石强度存在尺寸效应的本质动因。     

梯度塑性理论及其在地质灾害预测研究中的应用

岩石结构稳定性问题是岩土工程实践中迫切需要解决的重要课题之一。文章以地震为例，讨论了地质灾害的局部化特征，介绍了经典弹、塑性理论的某些缺陷及梯度塑性理论的几点优越性：(1)控制方程总是适定的；(2)病态网格依赖性消失；(3)局部化带宽度由材料的内部长度完全确定；(4)可对岩石结构的尺寸效应及失稳回跳进行合理解释和预测；(5)对预测宏观及微观问题均比较有效。介绍了基于梯度塑性理论的岩石变形、破坏及稳定性研究进展。梯度塑性理论可用于研究单轴压缩条件下，岩石试件发生剪切破坏时全程应力一应变曲线、尺寸效应、剪切带倾角尺寸效应及失稳回跳等问题。它们对土木工程及岩土工程均十分重要。若将单轴压缩岩样比拟为矿柱，则该失稳判据即为矿柱岩爆准则。梯度塑性理论可用于研究韧性断层带内部应变、应变率分布规律、断层带错动位移及带内孔隙度分布规律，为韧性断层带定量分析提供了新的手段。此外，该理论还可对直剪试验机——岩样系统不稳定性进行分析，系统失稳可比拟为断层岩爆。发展基于梯度塑性理论尺度律及失稳判据等解析解一方面可加深对岩石变形、破坏的理解；另一方面。还可用来检验数值结果的正确性。     

岩质边坡声发射特征及失稳预报判据研究

在分析岩质边坡失稳过程中岩体力学性质和声发射产生的微观机理基础上,通过岩石声发射试验和岩质边坡声发射监测实例,研究了岩质边坡声发射特征,提出了岩质边坡失稳破坏的基本力学分类及其声发射的监测预报方法和判据,实现对岩质边坡失稳的预测预报。研究结果表明,边坡破坏前存在一次或多次声发射高峰。应用AE技术可以确定边坡在变形过程中应力集中活跃区;以抗滑力减小为主的岩质边坡,其失稳预报判据为大事件率在15次/ min以上,预报时间为几分钟至数小时。以下滑力增大为主的岩质边坡失稳的预报判据为大事件率在26次/ min以上,破坏时间为第一次声发射峰值期后的30～45 d。     

多尺度内聚颗粒模型破碎过程研究

岩石破碎过程涉及到多个变量（应力、应变和孔隙率等）变化和裂纹的产生、拓展和聚集,是研究岩石破碎机制的重要途径。为了克服现有研究中岩石颗粒模型未考虑岩石内部特征问题,针对岩石内部颗粒非均匀分布、聚集的特点,开展了岩石轴压破碎试验和岩石岩相分析试验,并在此基础上,构建符合真实岩石内部特征的多尺度内聚颗粒模型。根据离散元的颗粒黏结模型（BPM）理论,求解了多尺度内聚颗粒模型不同粒级颗粒间黏结键的力学关系,发现与二级颗粒形成的黏结键断裂判据为 ≥ 2 GPa,三级颗粒之间形成的黏结键断裂判据为 ≥ 6 GPa,并基于该判据建立了用于模拟颗粒模型破碎的演化模型。通过模拟轴压破碎试验,破碎演化模型可以从细观角度得到颗粒模型各颗粒间黏结键承受力的实时变化和岩石破碎过程中黏结键从外而内的断裂顺序;从宏观角度得到岩石内部裂纹呈V形从上表面两端延伸并相交于岩石中部。通过与岩石轴压破碎试验结果对比发现,模拟试验得到的岩石裂纹特征与岩石轴压破碎试验结果相似,验证模型的可靠性,实现了从细观和宏观角度分析岩石破碎过程。     

考虑统计损伤模型的非均质节理岩体拉剪破坏机制研究

拉剪应力状态极易导致岩体破坏乃至失稳,为研究节理岩体拉剪破坏规律,开展了拉剪荷载下共面非贯通节理岩体变形破坏的理论与数值计算研究。通过自定义考虑岩石统计损伤演化的Mohr-Coulomb和最大拉应力准则模型,编写力学参数服从Weibull分布的fish函数,研究了拉剪条件下非均质节理岩体的破坏模式及破坏规律,讨论了岩石均质度、法向拉应力及剪切速率对岩体破坏模式及其力学性质的影响。结果表明,(1) 拉剪应力状态下节理岩体的破坏模式以张拉破坏为主,加载初期破坏位置分布散乱,随着加载和损伤演化逐渐形成带状破裂面,岩体宏观力学性质明显降低;(2) 非均质性对岩体破坏影响显著,主要表现为均质度的增加,岩体由弥散型破坏向集中型破坏转变,破裂面起伏度增大,同时岩体的宏观力学性质增强并最终趋向于均质岩体;(3) 低应力水平下拉应力增大不改变节理岩体以拉张破坏为主的破裂模式,但剪切破坏比例明显减少,同时岩体抗剪强度降低,破裂面的粗糙度增大;(4) 剪切速率对岩体力学性质的影响显著,静态加载范围内岩体抗剪强度随剪切速率的增大而增大,且增幅越来越小。     

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。     

隧道变形失稳的能量演化模型与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用耗散结构理论,分析了隧道变形失稳的能量耗散过程与演化特征;结合热力学基本定律,研究了整个隧道系统的能量耗散机制,建立了隧道变形失稳的能量演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量（≥3 000）与小数据量（<3 000）条件下稳定性演化过程的能量判别准则;根据隧道系统变形失稳演化各阶段特征,提出了其失稳破坏的能量判据。将研究成果应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析,验证了该能量演化模型与判据的合理可靠性,其结果对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。     

矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究

利用MTS岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集系统,研究了单轴循环加卸载作用下矽卡岩强度变化及声发射特征。在矽卡岩循环加卸载过程中,若加载过程中岩样没有明显局部破坏,则随着循环次数的增加,弹性模量逐渐增大,岩样强度略有提高;若加载过程中岩样内部已经出现明显的局部破坏,产生了不可恢复的宏观裂纹,则循环加卸载会促进宏观裂纹层面间的滑移,从而加速岩样失稳破坏。矽卡岩在单轴压缩作用下声发射曲线大体可分为压密、弹性、塑性、峰后屈服4个阶段,并伴随有不同的声发射情况。此外,矽卡岩在循环加卸载作用下具有反凯塞效应,并且随着加卸载循环次数的增加,费拉西蒂比逐渐变小;岩样卸载阶段仍然有大量声发射产生。     

机械施工动荷载-采空区顶板失稳判据

针对机械施工荷载作用下采空区顶板失稳破坏具有突发性及受力过程复杂的特点,将机械施工荷载简化为移动简谐力,采用力学分析建立了机械施工荷载-采空区顶板力学模型。基于动力学理论,形成了机械施工荷载-采空区顶板的双尖点突变模型,由系统失稳的充分条件和必要条件,获得了机械施工荷载-采空区顶板失稳判据。基于能量原理,推导了机械施工荷载-采空区顶板总能量方程,根据系统临界失稳判据,构建了临界机械施工荷载计算模型。对建立的两种失稳判据分别进行实例验证,结果表明采用突变理论计算得到的理论状态与实测状态一致;采用能量原理计算得到的临界机械施工荷载理论值与实测值较吻合,平均误差为11. 01%。研究可为露天开采下机械施工荷载大小控制、采场结构参数设置、采空区失稳控制与治理等提供参考。     

基于虚内键模型的三维均质岩石本构关系模拟

基于虚内键模型,推导出三维条件下虚内键演化函数的四阶弹性张量,对虚内键密度演化函数中的两个参数进行研究,建立单轴压缩下岩石数值模型,得出两参数对岩石应力-应变全过程曲线影响的一般性规律,实现对均质大理岩试样应力-应变全过程曲线的数值模拟。数值结果表明,基于虚内键模型的均质岩石应力-应变全过程曲线与力学试验结果较为吻合。从而证明了用虚内键模型探讨岩石材料本构关系的适用性与可行性,为研究岩石本构关系提供了一个新思路。     

隧道非线性演化模型一致性及其判据统一性分析

隧道失稳破坏的动力学演化模型及其判据与能量演化模型及其判据是对同一系统分别从动力学过程与能量状态两个角度的描述与判别。从两种模型对围岩分区的描述出发,利用非线性动力学中的热力学熵S、Kolmogorov熵、关联维 的关系,证明了两模型在空间上的一致性,并通过演化时间建立了两模型的联系,证明了其在时间上的一致性。根据两种判据分别描述不同演化阶段的稳定性状态,从其对系统演化阶段的划分出发,研究了隧道系统在一般发展条件与跳跃式发展条件下动力学判据与能量判据的统一性。上述研究相互验证了两种模型及判据,并进一步阐释了隧道失稳破坏的非线性机制,对隧道围岩稳定性的状态判别与控制具有一定指导意义。     

隧道变形失稳过程的非线性动力学分析与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用协同学与混沌动力学,分析了隧道变形失稳过程的非线性动力学演化特征,并将其划分为平衡、非平衡线性、非平衡非线性等3个演化阶段;从系统分析的角度,研究了整个隧道系统的涨落关联机制,建立了隧道变形失稳的动力学演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量（≥3 000）与小数据量（ 3 000）条件下稳定性演化过程的动力学判别准则。结合隧道变形失稳的阶段性特征,建立了其破坏的混沌动力学判据。将以上研究应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析中,验证了该动力学演化模型与判据的合理可靠性,对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。     

基于BP神经网络的岩土胶结材料速率敏感效应预测研究

为建立针对岩土类胶结材料的微观特征-加载速率-宏观响应之间的对应关系,基于离散单元法,通过施加平行胶结模型模拟胶结材料物理力学特征,并进行不同微观参数(胶结数目、胶结黏聚力、胶结杨氏模量、胶结内摩擦角、孔隙比)以及不同加载速率(1、0.1、0.01、0.002 mm/min)条件下的三轴不排水数值试验。以残余强度、峰值强度及其对应的轴向应变3个参量为基础,探讨不同微观参数条件下的加载速率效应特征。在数值试验结果基础上,采用BP神经网络算法建立胶结材料率效应预测的智能模型。研究结果表明,(1)胶结材料具有显著的速率敏感性特征,其峰值强度随加载速率的增加显著增加,呈半对数线性相关,但其残余强度以及峰值强度处的轴向应变对加载速率敏感性较弱;(2)胶结材料对加载速率敏性的特征主要由其内部胶结破碎引起,剪切全过程中单位应变内的平均胶结破碎率变化趋势与偏应力变化趋势一致,随着加载速率的增加,其内部平均胶结破碎率呈现增加趋势;(3)所建立的BP神经网络模型充分考虑了微观参数以及加载速率对宏观特性的影响,能较好地反映胶结材料对加载速率敏感效应特征,相对误差在10%左右。     

颗粒离散元岩石模型的颗粒尺寸效应研究

颗粒尺寸是影响颗粒离散元模型宏观力学性质与计算效率的一个重要因素。为充分考虑由模型随机性导致的模拟结果的不确定性,利用统计学方法对模型的颗粒尺寸效应进行研究。整体检验结果表明：特征长度比L/R的改变对模型力学参数（峰值强度、弹性模量、泊松比及峰值应变）与破坏特征参数（黏结破裂率）的总体分布位置均有显著性影响,且各参数的变异系数会随着L/R的减小而增大。进一步的多重比较结果表明：当L/R≥125时,L/R对峰值强度、弹性模量、泊松比及峰值应变的总体分布位置均无显著影响;当L/R≥79时,相邻3个粒径水平的黏结破坏率总体分布位置无显著性差异;随着L/R的减小,模型损伤程度增加,破坏模式由整体剪切破坏转向局部损伤引起的失稳破坏,最终失去模拟岩石材料的效力。最后,综合各项力学参数的统计学检验结果、模型破坏模式及计算效率,岩石模型颗粒的特征长度比取L/R=200较为合适。     

储层岩石微观孔隙结构对岩石力学特性及裂缝扩展影响研究

储层岩石是一种具有复杂孔隙结构的天然非均质材料,微观结构影响岩石的宏观力学特性和破裂特性,认识储层岩石微观孔隙结构及其对岩石力学特性的影响对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,利用CT扫描试验和数字图像处理技术,定量表征储层岩石微观孔隙结构;据此建立微观孔隙结构的三维模型,根据单轴压缩试验获取模型的细观参数,并在PFC3D中进行单轴压缩模拟,分析微观孔隙结构对岩石力学特性和裂缝扩展的影响。结果表明,储层岩石微观孔隙结构概率分布满足对数正态分布,几何形状复杂,孔隙分布具有分形特征;微观孔隙的存在造成单轴抗压强度的降低,分形维数越大,单轴抗压强度越小,两者呈近似线性关系;孔隙结构对裂缝起裂位置、扩展及贯通方向具有决定性作用,裂缝起裂位置多出现在孔隙尖端处;在平行于加载方向的平面内,裂缝多沿孔隙尖端近30°方向和平行于加载方向扩展;在垂直于加载方向的平面内,裂缝沿裂隙轴线方向延伸或使孔洞直径增大;加载过程中裂缝易造成孔隙之间的贯通。     

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。     

围岩稳定分析的熵突变准则研究

地下工程围岩体具有高度的非线性,可以借助当代非线性科学研究和预测它的力学行为。应用耗散结构理论、熵及突变论等非线性科学理论研究岩石非线性稳定问题,揭示了岩体失稳过程和破坏机理,建立了符合实际的岩体破坏分析方法和失稳判据。     

加载速率对砂岩抗拉强度的影响机制

为研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制,设计开展5种加载速率的劈裂试验,综合分析抗拉强度、破坏特征、能量参数和劈裂面微观形貌变化规律及相关性。结果表明,(1) 随着加载速率增大,砂岩劈裂抗拉强度逐渐增大,总体呈现先陡后缓的趋势,加载速率在0.01～0.10 kN/s范围内时抗拉强度增长迅速,0.10～1.00 kN/s范围内时抗拉强度增长趋势渐缓;(2) 随着加载速率的增大,岩样吸收的总能量增大,弹性应变能占总能量的比值逐渐增大,耗散能占总能量的比值逐渐减小,加载至破坏时裂纹扩展形成宏观劈裂面的时间呈数量级减小,达到峰值应力时弹性应变能的释放,导致岩样破坏的突发性增强,使得劈裂面形貌特征在宏观和微观上逐渐变得复杂,对应抗拉强度逐渐增大;(3) 在岩石劈裂试验过程中加载速率、能量参数、劈裂面形貌特征与抗拉强度密切相关,加载速率影响加载过程中能量的总量与分配,能量参数的变化直接影响岩样的破坏过程及劈裂面的形貌特征,最后宏观上表现为抗拉强度的差异。文中相关分析方法和思路可为类似试验提供较好的参考。     

龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征

层状页岩的微观非均质性及力学各向异性对研究井壁稳定以及水力裂缝扩展形态具有重要意义。为了向页岩优化钻井、压裂工艺参数提供一定的理论和试验依据,对沿不同角度取心的页岩试样开展单轴压缩实验,配合场发射扫描电镜、原子力显微镜观测实验和波速测试等,研究龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征,并讨论这些物理力学特征对水力裂缝形态的影响规律。结果表明:受层理面的影响,龙马溪组页岩呈现出较强的微观非均质性和宏观力学各向异性特征。具体的,微观孔隙结构特征方面,随着观测方向与层理方向之间夹角β的增大,微观孔隙结构的发育程度逐渐增加,说明气体的储集和空间呈增加趋势;宏观力学特征方面,单轴压缩条件下,随着加载方向与层理方向间夹角θ的增加,页岩试样的破坏模式从贯穿层理面的张拉破坏,先转变为剪切破坏,再变为劈裂-剪切混合破坏;龙马溪组层状页岩的单轴抗压强度、泊松比随着θ的增加呈现出先减小后增大的"U"形各向异性模式,弹性模量、横纵波速则逐渐减小,胶结程度较弱的页岩层理面会先于基质体发生破坏,进而显著影响岩石整体的力学性质;页岩微观非均质性及力学各向异性特征在一定程度上影响压裂过程中水力裂缝的扩展行为,以及停泵后压裂液的渗流路径。研究结果可为页岩压裂工艺参数优选提供一定依据。