位移控制加载、内压及侧压作用下平面应变含孔洞土样应变场观测

利用研制的平面应变模型加载及观测系统,研究了位移控制加载条件下含孔洞土样的破坏过程。孔洞内压及侧压由气囊施加。利用数字图像相关方法,获得应变场。通过布置测线的方式,研究了剪切带内外最大剪切应变及主应变轴偏转角的分布及演变规律。得到了下列结果。随着纵向应变的增加,含孔洞土样的最大剪切应变的分布经历由均匀变形向局部化变形的转化过程。对于剪切带外的测点,随着远离孔洞表面,最大剪切应变有增加的趋势,这与剪切带内损伤导致带外弹性应变降低（卸荷）有关。在孔洞表面附近,最大剪切应变变化复杂,这与应变弹性成分的下降与塑性成分的增加的博弈有关。对于剪切带尖端的测点,其和前后测点相比,水平线应变发生突增（剧烈膨胀）,垂直线应变的值发生突降（挤压程度剧烈降低）,剪切应变的值发生突增（剪切变形剧烈增加）,由此导致主应变轴偏转角的值发生突增,达到30°。当纵向应变相同时,侧压或内压的增加对含孔洞土样的纵向应力有增强作用。     

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(Ⅰ):基本理论及本构参数对侧向变形的影响

研究了岩样在单轴压缩条件下轴向应力．侧向或环向变形的全程曲线特征。基于考虑峰值剪切强度后微小结构之间相互影响和作用的梯度塑性理论，得到了由于剪切局部化而引起的侧向塑性变形。利用虎克定律描述了试件的弹性变形，得到了轴向应力．侧向变形全程曲线的解析解。在软化阶段，试件中部侧向变形及对靠近试件上端或下端部位的侧向变形并不相同。与轴向应力．应变曲线可能出现的回跳现象类似。试件中部轴向应力．侧向应变曲线也可能出现回跳现象。在应变软化阶段，与应力．侧向应变曲线相比，应力．环向应变曲线不容易发生回跳现象。若在试件内部出现多条剪切带，则应该以等效剪切带宽度替代本文中的剪切带宽度。随着剪切带倾角、内部长度参数的降低、剪切模量的增加及弹性模量的降低，轴向应力．侧向应变曲线越陡；甚至能出现弹性回跳。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值（计算得到的泊松比）。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力-侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加栽阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0．5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明：当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了“狗耳”形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。     

正断层下盘开采应力演化及断层阻隔效应连续-非连续方法模拟

断层破坏了采场岩层的连续性,应力由断层一盘向另一盘的传播过程将受到断层的阻隔,从而引起断层附近应力集中,极易诱发煤矿灾害.开展采动条件下断层附近应力和煤层支承压力的演化以及断层阻隔效应研究对于煤矿灾害的预防具有重要意义.以自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法为基础,为了处理煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,采用了应力跌落方法;为了模拟时间较长的煤炭开采过程,采用了准静力计算模式.根据济三煤矿6303工作面的地质条件建立更准确的力学模型,其中,在断层上盘下端面施加垂直向上的适当均布载荷,以克服传统力学模型的应力集中问题.模拟了正断层下盘开采条件下岩层的运动过程.通过在断层上盘断层附近布置多个测点,获得了不同测点的正应力和切应力的演化.详细描述了断层阻隔效应.研究了开采速度对不同测点正应力、切应力和煤层支承压力的影响,定性探讨了开采速度快慢与断层阻隔效应强弱的关系.     

泊松比对岩样破坏模式及全部变形特征的影响

利用编写的计算岩样全部变形特征的FISH函数, 采用FLAC模拟了泊松比不同时单缺陷岩石试样的破坏及全部变形特征。在峰前及峰后, 本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。高泊松比使岩样发生由单一剪切破坏向复杂破坏转变、破坏区域的面积增加、剪切带倾角降低, Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此无法解释。不同泊松比时计算得到的峰前应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线的线性阶段与平面应变压缩条件下的线弹性解吻合。若泊松比超过1/3, 通过计算得到的平面应变压缩泊松比可大于0.5, 这被数值模拟确认。泊松比的增加使峰后的侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线、计算得到的泊松比-轴向应变曲线变得不陡峭, 使峰后的应力-侧向应变曲线变得陡峭, 使破坏的前兆变得不明显。      

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力（小于竖直方向压力）及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程。岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律。根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆。模拟结果表明：当竖直方向压力一定时,随着水平方向压力的增加,V形坑的顶点和巷道中心的连线与模型水平轴的夹角,由小于45°向接近45°发展;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值增大。随着岩石峰后脆性的增强,剪切带趋于明显,容易汇合形成V形坑;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值向围岩内部移动。     

涉及流体的岩土工程自然灾害统一机制探讨

渗透系数依赖于塑性剪切应变（率）。塑性区可以进一步划分为剪应变局部化区和非剪应变局部化区,采用应变梯度塑性理论将是描述塑性区内应变局部化区的材料性质矩较好方法之一。涉及流体的岩土工程自然灾害统一机制的过程可以分为4个阶段：（1）在孔隙充体存在的条件下岩土材料分叉,应变局部化启动;（2）应变局部化导致岩土材料剪胀或剪缩;（3）剪胀或剪缩引起孔隙流体的流向应变局部化区或流出应变局部化区的渗流运动;（4）在流体作用下岩土结构失稳。将涉及流体的岩土工程中自然灾害的发生机制统一在同一理论框架之中,有助于对这些灾害发生机制的认识和理解,而且对其预测乃至防治也会产生积极的意义。     

单轴压缩湿砂土试样主应变轴偏转规律试验研究

利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,获得了单轴压缩湿砂土试样观测平面内主应变轴偏转角的时空分布规律。采用双三次样条插值方法,获取了任意位置的主应变轴偏转角,分析了土样将来出现剪切带位置、剪切带的中心及其尖端附近和剪切带外的主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律。研究发现,随着纵向应变的增加,在土样观测平面内,主应变轴偏转角的范围由分散逐渐变得稳定,大部分区域最终分布在-10°~10°之间。当出现较清晰的剪切带以后(硬化阶段后期),剪切带内不同位置处主应变轴偏转角基本趋于恒定或稍有下降,大致稳定在-5°~5°之间,这与剪切带外的点的主应变轴偏转角均处于发展之中不同;而在剪切带尖端附近的点,主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律比较复杂。     

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(II): 尺寸效应及弹性回跳

提出了利用不同尺寸试件的轴向应力-应变曲线得到轴向应力-侧向应变曲线的一种方法，并研究了结构尺寸对轴向应力-侧向应变曲线的影响。根据尺寸不同试件的轴向应力-轴向应变曲线的实验结果，并基于梯度塑性理论的解析解，在应变软化阶段，确定出了各种试件的剪切带条数。由此求出了不同宽度试样的轴向应力-侧向应变曲线。剪切带条数与试件宽度之比是决定轴向应力-侧向应变曲线特征的关键指标。若该比率为常量，则上述曲线不具有尺寸效应。当宽试件及窄试件在局部化启动后，在试件内部都出现一条剪切带时，随着试件宽度的增加，该曲线越陡，甚至出现回跳。上述方法也可用于分析轴向应力-环向应变曲线的尺寸效应问题。尺寸效应的原因是局部化，但局部化并非总引起尺寸效应。