多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。     

基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究

大多数岩石材料软化本构模型在硬化函数中引入塑性内变量来表示材料的硬化/软化性质,但并不能反映岩石微裂隙损伤对材料力学性能的影响及单轴拉伸和压缩所表现的初始屈服强度f0与屈服极限fu的差异。基于D-P准则同时考虑塑性软化及损伤软化,建立岩石类材料的弹塑性本构关系及其数值算法。塑性屈服函数采用Borja等的应力张量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;由于岩石损伤软化是微裂隙扩展所导致的体积膨胀引起的,因此,提出用体积应变表征岩石损伤变量的演化,并用回映隐式积分算法编制了岩石的弹塑性损伤本构程序。对单轴压缩及拉伸荷载作用下的岩石材料试验进行数值模拟,结果表明,所提出的岩石弹塑性损伤本构模型可以较好地符合岩石材料的力学特性。     

基于残余强度修正的岩石损伤软化统计本构模型研究

岩石随着围压的增大,残余强度的增加幅度比峰值强度大,残余强度逐渐成为影响岩石全应力-应变曲线峰后段的主要因素,因此,建立岩石损伤软化统计本构模型时,对残余强度进行修正是非常必要的。基于岩石应变强度理论以及岩石微元强度服从Weibull随机分布的假设,考虑岩石峰后残余强度对损伤变量进行修正,在微元破坏符合Hoek-Brown屈服准则条件下,建立了能够反映岩石峰后软化特征的三维损伤统计本构模型;依据岩石试验全应力-应变曲线的几何特征,推导出本构模型参数的数学表达式,并基于花岗岩室内试验数据对模型参数进行探讨,研究了Weibull分布参数与本构模型的关系,探讨了损伤修正系数的取值和岩石累积损伤的扩展过程;将建立的本构模型理论曲线与4种岩石（斑状二长花岗岩、细晶大理岩、砂岩和粉砂质泥岩）不同围压下的常规三轴压缩试验曲线进行对比分析,结果表明,该模型能很好地描述岩石破裂过程的全应力-应变关系和表征岩石残余强度特征。这对于岩石损伤软化问题以及岩石加固处理措施的研究均具有重要的意义。     

岩石裂纹闭合效应及其定量模型研究

岩石的裂纹闭合效应对于岩石的变形以及强度性质具有重要影响。主要研究了岩石内部微裂纹的闭合压密效应及其定量评价方法。首先,基于有效介质理论将岩石的轴向应变分为基质轴向应变和裂纹轴向应变两部分;然后通过3组岩石压缩试验资料,建立裂纹轴向应变随轴向应力变化的负指数模型。分析发现,负指数模型可以较好地描述岩石裂纹闭合压密阶段的非线性。裂纹闭合应变可以在一定程度上反映岩石内部的微裂纹数量(密度),能够描述微裂纹密度在单轴、三轴压缩条件下的变化规律。     

水-力耦合下煤岩力学特性及损伤本构模型研究

为探究水分对煤岩力学特性的影响,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同含水率下原煤三轴压缩试验研究。基于弹性损伤力学,推导表征不同含水率下煤岩整体损伤的损伤变量,建立水-力耦合作用下煤岩分段损伤本构模型,得到煤岩的变形随含水率的变化规律。结果表明:(1)不同含水率下煤岩的变形规律基本一致,破坏过程可分为峰前应力阶段、峰后应力阶段和残余阶段;(2)随着含水率增大,煤岩受水分作用峰值应力降低,泊松比增大,弹性模量均呈线性单调减小,煤岩脆性逐渐减小;(3)所建立的损伤本构模型可以较好地表征不同含水率下全应力-应变过程中的变形特征,适用于分析不同含水率下煤体三轴压缩应力应变问题;(4)损伤修正系数q和损伤本构系数n共同决定了损伤本构模型的曲线形状,q反映了煤岩残余变形的特征,n反映了应力-应变曲线的峰后不同的软化程度。     

岩石损伤软化统计本构模型及参数确定方法的新探讨

基于现有岩石损伤软化统计本构模型研究,通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与岩石应力-应变全程曲线特征参数即峰值应力与应变的关系,建立起特定围压下模型参数与围压的解析表达式。引进岩石Mohr-Coulomb强度准则,建立不同围压下岩石应力-应变全程曲线峰值应力与围压之间的关系,再通过探讨不同岩石应力-应变全程曲线峰值应变与围压的关系,导出了具有普遍意义的不同围压下岩石峰值应变计算公式,从而建立岩石损伤软化统计本构模型参数确定的新方法,由此得到能够模拟不同围压下岩石应变软化全过程的统一损伤软化统计本构模型。该模型较同类模型具有参数少和易于确定等特点,理论计算和实测结果比较分析表明了该方法与模型的合理性。     

基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究

进行了高应力条件下卸围压并增大轴压的花岗岩卸荷试验,描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力-应变曲线和力学参数损伤劣化规律;分析了能较好反映岩石卸荷强度破坏特征的Mogi-Coulomb准则和强度参数变化规律;建立了岩石由压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏的渐进演化体系。在此基础上,通过对岩石卸荷破坏起主要作用的横向变形将压剪Mogi-Coulomb准则和拉剪Mogi-Coulomb准则联系起来,建立了描述岩石卸荷渐进破坏的新强度准则。基于上述的卸荷试验成果,结合描述岩石卸荷渐进破坏的应力-应变曲线,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应、横向变形作用、卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程。     

三维高静载频繁动态扰动时岩石损伤特性及本构模型

采用改进的SHPB试验装置,进行深部岩石的三维高静载频繁动态扰动试验,分析动态应力-应变曲线的一般特征,可将其细分为微裂纹稳定发展、微裂纹非稳定发展、疲劳损伤、疲劳破坏4个阶段进行描述,其中峰值后的2个阶段处于动态应力卸载过程。基于连续因子、应变等效原理及统计损伤理论定义岩石的损伤变量并推演损伤演化方程,采用组合模型法建立岩石的本构模型。结合试验数据,验证岩石的损伤演化规律及建立的本构模型,结果表明:利用推演的损伤演化方程计算出损伤变量,其与动态应变的关系曲线符合试验中岩样的损伤规律;建立本构方程的拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性,说明建立的本构模型可以用来预测深部岩石处于三维高静载频繁动态扰动时的动力学特性。     

深部岩石统计损伤本构模型研究

为建立能够反映深部岩石变形全过程模拟方法,首先,针对强度准则的适用性条件建立了深部岩石强度准则,并在此基础上提出了深部岩石微元强度度量方式,同时,引入统计损伤理论,考虑损伤阀值对岩石损伤度量的影响,从而建立了统计损伤本构模型;其次,根据岩石三轴试验曲线特征给出了模型参数的确定方法,并在峰值应力和峰值应变分别与围压之间的关系基础上,建立了能够反映不同围压下岩石变形的统计损伤本构模型;最后,将试验曲线与本文模型的预测结果进行比较分析。研究结果表明:本文模型不仅能够反映深部岩石的变形过程,还能较好地反映岩石强度随围压变化的特性,表明了本文模型与方法具有一定的合理性和可行性。     

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。     

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。     

不同围压下灰岩三轴压缩过程能量分析

对灰岩岩样进行了不同围压下的三轴压缩试验,得到了峰值应力和弹性模量与围压的线性关系式。利用应力-应变曲线拟合了3种围压下应变能与应变的关系式,从而可以求得灰岩在任一轴向应变时的能量值。在考虑岩样对液压油做功的前提下,分析了压缩过程中几个阶段的能量转化方式,解释了高围压条件下岩石破坏更加剧烈的原因。基于裂缝扩展程度影响弹性模量大小的情况,提出了裂缝发展系数F的概念,给出了3种围压下利用轴向应力? 求取F的经验公式,从而可以获得灰岩压缩破坏过程中各阶段的实际岩石力学参数,并且用F值的变化趋势解释了高围压时峰值强度附近出现塑性平台的原因。     

砂岩单轴压缩与干湿循环耦合损伤试验研究

设计并进行了不同干湿循环次数下的砂岩单轴压缩试验,得到试验应力-应变曲线。观察对比各组曲线的各阶段特征,分析干湿循环作用对砂岩的变形破坏和力学性能的影响规律,发现干湿循环交替过程导致砂岩试件单轴抗压强度和弹性模量均显著降低并逐渐趋于一个定值,破坏特征则由脆性向脆—延性转变,砂岩受到了不可逆的渐进损伤作用。建立了单轴压缩与干湿循环耦合作用的随机损伤力学模型,推导出随机损伤力学本构关系表达式,拟合出理论曲线并与试验曲线进行对比分析,证明该模型能较好地反映干湿循环作用下砂岩的力学特性曲线。     

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。     

巴东组紫红色泥质粉砂岩损伤特性三轴试验研究

以宜昌至巴东高速公路中典型的巴东组紫红色泥质粉砂岩为对象,对其进行三轴压缩试验。通过对三轴应力-应变全过程分析表明:岩石破坏的实质是原生节理裂隙的不断扩展、累积、劣化的过程,其应力应变过程可分为线性弹性段,屈服段,应变软化段以及塑性流动四个阶段。基于试验结果探讨了泥质粉砂岩的初始损伤特性,分析结果表明:泥质粉砂岩的初始损伤时的主应力差对数与围压呈线性关系。同时,假定岩石微元强度服从 Weibull 随机分布的特点,合理推导了岩石微元强度的参量,建立了反映岩石破裂全过程的损伤软化本构模型,并分析了基于Weibull 分布的损伤变量与主应力差的抛物线数学关系,并结合试验数据与模型数据进行对比,分析了该损伤软化本构模型是合理的。     

陇东Q3结构性黄土压剪损伤本构模型试验研究

Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且大部分都具有显著的结构性。随着国家“一带一路”倡议的不断向前推进,作为丝路沿线的西北黄土分布地区将迎来新的建设大潮。黄土的结构变形特性非常复杂,深入研究黄土在压缩、剪切条件下的结构损伤变形特性,并依此构建黄土的本构关系在理论研究及现场工程应用中具有非常重要的意义。通过对黄土进行均等压缩试验及三轴剪切试验,基于损伤力学思想,提出黄土结构在均等压缩条件下的平均正应力损伤比,在剪切条件下的平均正应力损伤比及偏应力损伤比。根据弹性、塑性应变确定塑性势线,进而确定其屈服函数;将确定的黄土结构损伤比引入到屈服函数中,得到一定结构损伤时黄土的屈服函数表达式;验证了选取塑性体应变作为本构模型硬化参量的合理性;根据硬化参量与相关试验参数的联系,推导出结构性黄土在压剪条件下的损伤本构模型。经过实测应力-应变曲线与本构模型推算得到的应力-应变曲线对比可知,所建立的本构模型可以较好地反映黄土在压剪条件下结构损伤演化变形过程,具有较好的工程应用前景。     

层面数量对煤岩组合体抗压特性影响的实验研究

煤层顶板分层特征对于煤岩系统的力学行为有重要影响,将其简化为具有岩石单元内含有不同层面数量的煤岩组合体,并开展单轴压缩实验。借助应力监测系统、DIC和声发射系统采集并分析实验过程中的应力-应变特征、表面应变场演变规律、声发射特性。实验表明：煤岩组合体的应力-应变过程可以分为裂隙压密阶段、“线性”增加阶段、非稳定破裂阶段和峰后阶段4个阶段,煤体单元首先发生渐进式的破坏,其过程为煤块弹射-煤块与组合体剥离-剥离状的煤块弹射-倾倒破坏。结合声发射特征可以认为单轴压缩过程中煤岩组合体具有更加明显的压密现象、小台阶现象和峰后应力增减现象,主要是组合体的非均质程度相对增加,内部不能协同变形所导致的。组合体内“煤-岩”层面处会出现明显的应变集中现象,主要是因为该处材料的物理力学性质差异较大,且层面处粘黏剂的存在会导致横向约束作用,岩石单元由单向受压转变为三向压拉状态,煤体单元由单向受压转变为三向受压状态,因此,“煤-岩”层面处更容易发生破坏,此处的声发射信号相对集中,更易形成应变集中。研究认为煤岩组合体中岩石单元层面数量的增加,其等效弹性模量降低、整体性弱化和承载能力下降,组合体单轴压缩强度有降低的...     

气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建与单轴压缩力学行为研究

为了研究初始孔隙对气孔杏仁状玄武岩力学行为的影响规律,提出了一种考虑计算孔隙率、体积参数、形状参数、角度参数和构造参数的气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建方法,基于建立的随机模型开展了五因素五水平的单轴压缩正交数值模拟,分析不同模型的应力-应变曲线、破坏模式和破坏特征。结果表明：计算孔隙率、角度参数和构造参数对于岩石的单轴抗压强度和弹性模量有较大影响,岩石的单轴抗压强度和弹性模量均与计算孔隙率、角度参数呈负相关,与构造参数呈正相关,与其余因素相关性较弱;随着模型孔隙率的增加,气孔杏仁状玄武岩应力-应变曲线中塑性应变占比随之增加,破坏模式由单剪切破坏面、多剪切破坏面转为局部粉碎状破坏,岩石由脆性破坏逐渐转为延性破坏,5%和12.5%可近似作为强脆性―脆性―延性转换的临界孔隙率;建立的损伤统计本构方程能够根据初始孔隙特征较好地预测气孔杏仁状玄武岩的力学行为,对于玄武岩地层中多孔岩石力学性质的确定具有重要意义。     

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。