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。     

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟与CT试验验证

在混凝土细观损伤的CT试验基础上,以密度损伤（CT数变化）变量为基础,建立了混凝土分段损伤演化方程,以此进行了混凝土试件单轴受压的细观损伤数值模拟。并从混凝土破坏图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟结果与CT试验结果,结果表明,试件破坏时裂纹扩展过程与CT观测到的相似,实现了将细观密度损伤（CT数变化）与试件的宏观力学性能的劣化相联系,为改进试验设计提供了力学依据,并使在可靠和有效的前提下用数值方法取代部分试验成为可 能。     

岩石单轴压缩下能量与损伤演化规律研究

能量变化是材料各参数变化的本质特征。通过颗粒流模拟岩石单轴压缩试验,从细观力学角度分析能量转化、裂纹扩展及损伤演化规律。颗粒流利用细观颗粒的运动克服了宏观力学理论不易实现试件多裂纹破坏形态的缺点,以此研究能量变化更加合理。应力-应变各阶段能量与微裂纹及损伤存在着相互对应的发展关系。通过3种工况论证了宏-细观力学参数对应关系,采用最小二乘法拟合得出微裂纹与轴向应变呈幂次函数关系。采用割线模量定义损伤变量,取模量加速下降处（对应裂纹加速扩展）为损伤门槛,对应损伤阈值为0.158。3种工况下微裂纹数量与损伤呈线性发展关系,为损伤演化的深入研究提供参考。     

应用数字图像分析法评价红砂岩渐进损伤破坏特性

为了分析含水状态下红砂岩渐进破坏行为,在已有的岩石细观加载仪上配置数字显微观测系统,对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监测和局部显微放大监测,并将可监视到的图像进行录像和计算机自动采集处理。利用该系统进行了红山窑水利枢纽工程地基红砂岩在不同含水率条件下的单轴压缩破裂过程试验,应用数字图像相关技术处理试样表面细观裂纹萌生、扩展图像灰度分布图,去除伪裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。为了获得试样表面裂纹萌生、扩展的定量描述,引入表观裂损度与损伤张量2个物理量,定量评价含水状态下红砂岩渐进损伤破坏特性,进一步分析单轴压缩状态下岩石裂纹损伤演化规律。     

对“基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型”讨论的答复

正在《基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型》~([1])一文中(以下简称原文),我们主要有两个意图:①目前所建立的损伤模型较少有同时考虑裂隙岩体宏细观损伤两种不同维度的损伤变量因子;②裂隙岩体宏观损伤变量在刻画上应尽可能将宏观裂隙几何力学特性同时考虑。鉴于上述想法,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,     

含裂隙水脆性材料单轴压缩CT分析

采用CT机配套的自制专用注水加载装置,对含裂隙水压的单裂纹试件进行了单轴压缩破坏的CT（Computerized Tomography）实时试验,对试件被压密→新损伤区产生→裂纹扩展的全过程进行了模拟,得到了各阶段清晰的CT图象及CT数。通过分析,提出了类节理岩体脆性材料的损伤演化率和损伤门槛值概念,并对水压的影响进行了探讨,从细观和三维上初步掌握了类节理岩体脆性材料的损伤演化特性。     

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。     

黏结剂含量对含瓦斯煤剪切细观损伤力学特性影响的试验研究

采用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,开展不同黏结剂含量条件下的含瓦斯煤剪切试验研究,研究了煤的强度特性、裂纹演化模式、裂纹长度变化规律、细观裂纹形态特征和形成机制,并探讨了黏结剂含量对含瓦斯煤剪切力学特性、裂纹宏细观演化和损伤特性的影响。研究结果表明:随着黏结剂含量的增加,含瓦斯煤抗剪强度较好地服从线性增加关系,宏观裂纹的数目和分叉在增加,峰后稳定阶段所占总试验阶段的比例不断减小;裂纹总有效长度变化可分为急增、缓增和稳定3个阶段;随着黏结剂含量的增加,相邻裂纹之间的损伤区类型发生变化,宏观断裂面形成方式由裂纹的直接连通向主裂纹分叉连通和翼型主裂纹间损伤区连通方式转化;通过对黏结剂含量为5.3%条件下含瓦斯煤剪切细观裂纹形成机制分析可知,宏观裂纹前端存在几条由宽到窄、近似在一条线上分布的细观裂纹,前方新裂纹不断出现,后方裂纹不断长大,并发生翼裂纹连通,翼型裂纹重叠部分产生损伤,形成宏观裂纹,从而引起宏观裂纹不断向前扩展;主裂纹壁的次级裂纹是由几条呈雁行式排列的翼型裂纹组成;主裂纹之间的贯通方式为翼裂纹和反翼裂纹连通,取决于其相对位置。     

含水状态下膏溶角砾岩破裂全程的细观力学试验研究

利用新型岩石细观力学试验系统,对石家庄-太原铁路专线太行山隧道工程6#斜井的膏溶角砾岩在单轴压缩荷载作用下的岩石细观损伤裂纹扩展直至破裂的全程进行了实时观测,得到了不同含水状态下岩石初始损伤微裂纹的萌生、扩展、连接、贯通直至宏观破裂的数字显微和全场实时图像。从岩石细观损伤机制出发,结合同时获得的应力-应变曲线,将损伤破裂过程分为4个阶段,得到了含水状态下岩石损伤发展演化的初步规律,并给出了应力损伤门槛值,发现水环境影响下造成的初始损伤微裂纹是水对膨胀软岩力学性质产生软化作用的重要因素。     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

使用相对熵研究花岗岩的损伤演化特征

岩石试件表面的视频图像可作为试件表面变形破坏的信息载体。为从试验视频图像中分析出定量的信息,文章提出一种描述岩石损伤演化的新方法:计算基准图像与对比图像的相对熵,用相对熵表征变形和破裂的发展,将相对熵明显上升阶段的起点作为试件损伤演化的启动时刻。根据花岗岩试件室内单轴压缩试验拍摄的试验视频,使用灰度分界阈值分割法得到了试件各细观组分的分布,使用相对熵表征试件中不同位置、不同组分的损伤演化特征,分析了试件全局区域的损伤演化阶段,探讨了损伤演化过程与组分类型、位置之间的关系。结果表明:试件损伤从试件中部开始,先扩展至左下,再扩展至右上;组分损伤的先后顺序为长石、石英、黑云母,且损伤大小顺序为石英＞长石＞黑云母;黑云母损伤从右上开始、然后扩展至中部,石英损伤从中部开始、先后扩展至左下和右上部位,长石损伤从上部开始、先后扩展至中部和下部。     

北山花岗岩热破裂室内模拟试验研究

岩石热破裂是高放废物地质处置工程中需深入研究的课题。对我国高放废物重点预选场址甘肃北山的花岗岩开展室内热破裂模拟试验研究,采用多通道温度测试仪、声发射、波速层析成像和数码显微镜等手段研究了该花岗岩热破裂过程。试验表明,（1）热破裂从试件端部开始产生,逐步向内缓慢扩展,表现出分段性和独立性;（2）根据声发射撞击率可将热破裂可分为稳定热损伤、宏观裂纹形成、宏观裂纹扩展、裂纹冷却闭合4个阶段,声发射定位的时空演化规律清楚地揭示了裂纹从试件上端部向内部扩展的规律;（3）波速层析成像指示了宏观裂纹位置及高温对岩石造成显著损伤的区域,热应力产生的损伤集中在试件边界,范围小,损伤严重,高温造成的损伤集中在钻孔附近高温区,范围较大,损伤略轻微;（4）监测多通道温度,获得了试件内的温度场并为数值模拟参数选取提供验证,采用有限元程序进行了热力耦合数值模拟,从机制上初步解释了热破裂现象,研究认为综合声发射实时监测热破裂过程和波速层析成像能实现对热损伤的量化的特性可实现岩石热破裂的动态监测和损伤量化,为今后地下实验室相关试验的开展和认识高放废物处置长期稳定性做了有意义的探索。     

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

岩石细观统计渗流模型研究(II):实例分析

进一步分析了第I部分中提出的岩石细观统计渗流模型[1]。讨论了由细观统计渗流模型得到岩石宏观渗透系数的方法。为了利用细观统计渗流模型对岩石损伤破坏过程中的渗透性演化进行分析,引入了各向异性损伤模型,用以对岩石的细观损伤和裂纹的扩展过程进行力学分析,并讨论了细观统计渗流模型与各向异性损伤模型的联合分析方法。对Lac du Bonnet花岗岩损伤过程中的渗透性演化进行了计算分析和验证。结果表明,细观统计渗流模型可以较精确地描述裂纹充分贯通前岩石渗透性的演化。     

岩石细观统计渗流模型研究(Ⅱ)：实例分析

进一步分析了第Ⅰ部分中提出的岩石细观统计渗流模型[1]。讨论了由细观统计渗流模型得到岩石宏观渗透系数的方法。为了利用细观统计渗流模型对岩石损伤破坏过程中的渗透性演化进行分析,引入了各向异性损伤模型,用以对岩石的细观损伤和裂纹的扩展过程进行力学分析,并讨论了细观统计渗流模型与各向异性损伤模型的联合分析方法。对Lac du Bonnet花岗岩损伤过程中的渗透性演化进行了计算分析和验证。结果表明,细观统计渗流模型可以较精确地描述裂纹充分贯通前岩石渗透性的演化。     

单轴条件下砂岩三维破裂过程的CT观测

岩石破裂过程研究一直是岩石力学专家关注的重要问题。本文采用特制的三轴压力仪与医用西门子SOMATOM -plusCT扫描仪结合 ,对砂岩进行了室内单轴压缩试验。通过对砂岩的CT图像和密度损伤增量与应力关系曲线分析 ,结果显示 ,砂岩的破裂演化过程可分为初始损伤的压密、裂纹出现扩展、裂纹归并分岔、裂纹重分岔扩展以及裂纹惯通宏观破坏等五个阶段。在初始损伤的压密阶段 ,砂岩的密度损伤增量为正值 ,速率也为正 ;在裂纹出现扩展阶段 ,砂岩出现局部密度损伤增量减小 ,并随应力增加而由正值转为负值 ,速率也由正变负 ;在裂纹归并分岔阶段 ,砂岩的密度损伤增量全为负值 ,速率也变快 ;在裂纹重分岔扩展阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,但速率变慢 ;在裂纹惯通宏观破坏阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,速率变的更快。     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

基于颗粒离散元模型的花岗岩压缩试验模拟研究

基于颗粒流理论,以黄岛国家石油储备库地下洞库的花岗岩室内试验测试为背景,借助PFC2D（particle flow code）的黏结颗粒模型（bonded particle model, BPM）建立双轴压缩模型。以花岗岩室内试验的宏观力学参数和破坏形态为参照,通过“试错法”得出黏结颗粒模型相对应的细观物理力学性质参数。模拟试验的弹性模量、泊松比与室内试验值吻合较好,BPM模型由于选用圆形颗粒导致黏聚力和内摩擦角与室内试验值相比有一定偏差。模拟试验与室内试验的试件破坏形态均以单斜面剪切破坏为主。采用校准的细观物理力学性质参数,应用BPM模型再现花岗岩压缩试验全过程,深入分析微裂纹萌生演化及能量变化规律。研究表明,压缩过程中岩石试件内裂纹扩展主要经历平稳发展-急剧增加-平稳发展3个阶段;变形过程中,花岗岩试件边界能、应变能、黏结能、摩擦能及动能在各个阶段的变化很好地解释花岗岩受力破坏的细观力学机制。     

不同加载速率Ⅰ型预制裂纹花岗岩断裂特征研究

以CCD相机配合高速相机搭建试验变形观测系统,开展不同加载速率下含Ⅰ型预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验。利用数字散斑相关方法对试验过程采集的数字散斑图像进行分析,对不同加载速率作用下含Ⅰ型预制裂纹花岗岩试件裂纹扩展过程中的变形演化特征、裂纹扩展速率、裂纹尖端张开位移、裂纹张开角以及初始断裂应力强度因子进行研究,研究结果表明：（1）花岗岩试件初始裂纹扩展速率随着加载速率的增加总体呈线性增加趋势;最大扩展速率随着加载速率增加呈现先较快增加后缓慢增加的变化趋势。（2）不同加载速率作用下,花岗岩试件预制裂纹尖端张开位移均呈现非线性缓慢增长-迅速增长-线性增长的变形趋势,且线性增长阶段曲线斜率随着加载速率的增加而增大。（3）随着加载速率的增加,花岗岩试件初始裂纹张开角先逐渐减小后稳定在0.1o～0.13o。（4）随着加载速率的增加,花岗岩试件初始断裂应力强度因子呈指数增长。     

含2条断续裂隙试件直接拉伸下的颗粒流模拟

采用颗粒流程序PFC构建了试件直接拉伸模型,模拟了含2条断续裂隙试件的直接拉伸试验,通过完整试件的模拟结果与室内试验结果的对比,验证了细观参数的准确性和可靠性,同时分析了裂隙倾角和岩桥倾角对抗拉强度和裂纹扩展的影响。研究表明:在直接拉伸情况下,含2条断续裂隙试件以萌生次生倾斜反翼裂纹为主,少量次生共面裂纹和翼裂纹;岩桥倾角和裂隙倾角均较小时,次生共面裂纹与原始裂隙之间发生搭接、贯通,随着岩桥倾角和裂隙倾角的加大,次生倾斜反翼裂纹扩展使试件断裂;裂纹扩展的方向与最大拉应力的方向基本保持垂直;岩桥倾角对于试件的抗拉强度和起裂应力影响不大;裂隙倾角对于试件抗拉强度和起裂应力影响明显,裂隙倾角越大,试件抗拉强度和起裂应力越大。