工程施工路径相关性的数值仿真

本文将损伤理论与时变力学耦联，形成用于模似施工的损伤时变力学方法，文中推导了基本方程和数值化算式。利用时变分析法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析，给出了三种不同路径下开采引起地表沉陷的时空演化图，并进行对比分析。对体现出的位移、损伤与施工路径相关现象进行了探讨，并定量给出损伤时变分析下不同开采路径造成的最终力学状态的差别。本文中损伤时变力学方法为施工过程分析提供了一种新方法与手段。     

地下开采过程损伤场演化与地表变形的时变分析

以形状随时间变化的物体——时变体为研究对象，将损伤理论与时变力学结合，引入与时变过程相关的损伤参数，形成损伤时变力学分析方法。针对岩石介质特性给出了弹性损伤时变力学本构方程，并利用虚功原理建立相应数值化方法和分析过程。利用损伤时变力学分析方法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析，给出形状时变引起的损伤场与地表移动的动态演化过程，并对比了非时变以及施工分析结果。研究表明，损伤时变分析可得到连续变化的位移及损伤演化图，相比非时变的常规分析和施工分析能更好地模拟连续施工，为工程施工分析与预测提供更加科学和有效的手段。为实现开采过程的经济和安全，应该采用损伤时变力学的分析方法。     

初始应力下岩体爆破损伤特性及破裂机理

钻爆法在岩体开挖工程中应用广泛，其工作效率与岩体结构及地质环境密切相关。初始应力会显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为及破坏特征，导致深部岩体超/欠挖等问题。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了不同初始应力下岩体的爆破损伤特性及破裂机理。基于弹性力学建立单孔爆破动静组合理论模型，分析了静态应力分布及动态应力演化特征，揭示了初始应力作用下岩体爆破损伤机制。通过经验公式及动态力学试验对RiedelHiermaier-Thoma (RHT)模型参数进行标定与修正，并结合室内爆破实验及理论结果对数值模型进行验证。此外，在单孔爆破数值模型中分析了爆炸压力演化规律、裂纹扩展行为及分形特征，结果表明数值模拟结果可以较好地论证理论模型的合理性。研究发现：环向拉应力是影响爆破裂纹扩展的重要因素，当初始应力较大时，合理调整环向应力分布可改善岩体爆破碎裂效果，实际工程中可结合预裂技术进行地压调控改变应力分布。     

地下洞室开挖过程中洞周损伤分布的时变反演

洞室开挖过程中，洞周围岩的损伤场是时间和空间的函数。本文由建立的岩体时变损伤本构模型，基于位移反演理论，依据各步开挖后洞周及深部测线量测位移，对地下洞室由开挖引起的时变损伤分布情况进行辨识。通过构造损伤分布拟合函数直接反演洞周损伤分布的时变过程，尝试了用拟合函数法实现动态分布参数的反分析。在对某直墙半园拱顶隧道进行反演时，将洞室边界映射成单位圆，建立了由衰减函数和傅立叶级数构成的拟合函数，并采用约束优化法反演。最终结果显示，反演得到的区域损伤平均值与真值相比，绝大多数误差较小。本文法在地下工程施工的岩体内部损伤监测中具有一定的参考价值。     

粘弹性时变体的损伤演化理论与分析

探讨物体形状变化而引起体内损伤演化的损伤力学课题．给出了粘弹性时变体损伤力学的基本方程,并对时变体损伤场及位移场的时空变化规律以及时变效应作出定量分析,同时论证了岩土工程施工分析中应用时变力学理论与方法的必要性．     

红沿河核电站基岩爆破的控制标准

以辽宁红沿河核电站核岛基础爆破开挖为例,分析了核岛基础不同区域的岩体力学特性以及各层 开挖时岩体允许损伤深度的差异,指出必须根据实际情况提出岩体爆炸振动控制方法和标准。在此基础上, 基于爆破振动监测和声波实验,分析了岩体爆破振动以及损伤特征,建立了核岛基础爆破开挖时岩体损伤深 度与振动速度之间的经验公式,提出了不同区域、不同允许损伤深度的情况下岩体爆炸振动速度控制标准。 研究结果表明,通过监测距爆源一定距离处的岩体质点振动速度控制爆炸损伤深度的方法是合适和有效的。     

含水状态对石英砂岩单轴分级蠕变性能影响研究

为研究含水状态对深埋岩体开挖卸荷后蠕变力学行为的影响,对干燥状态与饱和含水状态石英砂岩开展单轴分级加载蠕变试验,同时结合声发射技术进行实时监测。结果表明:随着含水率的增加,岩石蠕变失效强度降低,其宏观特征由剪切破坏过渡为劈裂破坏;水的存在对岩石的瞬时弹性应变和蠕变应变均抑制明显,试件含水饱和后蠕变增量和相应的稳态蠕变速率均明显降低。通过Levenberg-Marquarat算法对蠕变曲线进行拟合和参数辨识,证明Burgers蠕变力学模型能较好表述石英砂岩蠕变特性;试件含水饱和后弹性系数E_1、E_2和粘性系数η_1、η_2降低,岩石粘滞性增强,损伤硬化特征明显;试件含水饱和后加载瞬间与蠕变阶段声发射事件能率降低,内部微裂纹演化进程减慢。通过对比分析发现,稳态蠕变阶段声发射事件能率与蠕变速率的演化趋势较一致。试验研究结果可以为工程岩体破裂失稳的预测和防治提供一定的理论参考。     

循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化的模型实验

针对推进式循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化问题,按照相似比理论进行模型实验研究,实验模型采用1:15比例浇筑制成。通过模拟隧道推进式循环爆破开挖方式,以同一测点处爆破前后岩体声速变化评价隧道围岩损伤程度,探寻爆破参量变化对振动效应的影响,探索围岩损伤演化与爆破次数之间的关系。研究结果表明:在最大段药量大致相同情况下,起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小,而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大;隧道在推进式循环爆破开挖下,同一深度距离爆区相同的测点,其声速降低率存在较大差异,围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面均具有典型的各向异性特征;当爆炸参量基本相同时,不同循环爆破开挖下测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势;在推进式循环爆破加载下,围岩爆破累积损伤量D与爆破次数n之间存在非线性演化特性,不同的测点具有各自的爆破累积损伤扩展模型,距离爆源越近爆破损伤扩展越快,围岩爆破累积损伤效应具有典型的非线性演化特性和各向异性特征。     

节理化岩体开采沉陷的损伤统计研究

构造了一台无初始节理和一套有初始节理的岩体采动沉陷相似材料模型，进行模拟开挖实验，系统研究初始节理对岩体采动沉陷的影响规律，然后运用损伤力学理论研究节理在岩体采动沉陷中的作用，建立了地表移动特征值与岩体损伤变量的经验关系．     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

深部回采巷道围岩零应变交界圈现象的模型试验研究

以淮南矿区口孜东矿深部回采巷道为工程背景,采用真三轴模型试验装置模拟了从浅埋静水压力、深埋静水压力、初掘采动应力(K=1.5为1.5倍900m埋深静水压力,后同)到回采动压(K=2~3)等不同应力条件下,大、小两种尺寸的直墙拱形回采巷道围岩应变状态,获得了浅埋条件下巷道围岩浅部拉应变、深部零应变,以及深埋静水压力及初掘采动应力下,巷道围岩出现"零应变交界圈"现象及深埋回采高应力下非线性大应变的围岩应变特征。应变监测结果反映了深部回采巷道围岩变形破坏的动态演化过程,为巷道的稳定性控制提供了一定的思考。     

单轴循环冲击下弱风化花岗岩的损伤演化

为研究爆破应力波作用下弱风化花岗岩的力学特性和损伤演化机理，利用直径50 mm的改进分离式Hopkinson压杆装置，开展以不同速度对花岗岩进行单次和等速循环冲击下的实验研究。研究结果表明:单次冲击中，用能量法确定的损伤阈值，可用于循环冲击实验中；不同应变率下弱风化岩石裂纹扩展阶段存在应力松弛平台，且随应变率升高而愈发明显，峰值应力与应变率呈正相关。等速循环冲击中，最大应力、应变与冲击速度呈正相关，与岩样累积冲击总次数呈负相关；损伤演化具有3个阶段呈倒S形，由其构建的双参数损伤演化模型拟合效果理想，且具有物理意义；利用模型中的参数α和β可计算中值点处的损伤度和相对循环次数，且与冲击速度正相关；不同损伤变量计算的损伤演化模型不同，合理定义损伤变量是必要的。     

岩体结构非平衡演化的有效应力原理及长期稳定性分析

开挖卸荷后的天然岩体往往处于非平衡演化状态, 将直接影响岩体工程结构的正常运行、长期稳定和安全. 时效变形和损伤演化是岩体结构非平衡演化的核心. 在赖斯(Rice) 内变量热力学理论框架下, 提出了岩体结构非平衡演化的有效应力原理, 指出有效应力是总应力中能有效驱动结构演化的部分. 将内变量率形式的非弹性应变率方程和能量耗散率函数表示为有效应力形式, 并提出非弹性余能概念. 给定具体的余能密度函数和内变量演化方程, 得到了考虑损伤的内变量黏塑性应变率方程. 通过相似材料加卸载蠕变试验结果进行参数辨识, 并分别计算了内变量率形式和有效应力形式的黏塑性应变率、能量耗散率和非弹性余能, 并对其进行比较分析. 结果表明:在过渡蠕变和稳态蠕变阶段两种形式的方程计算的黏塑性应变率几乎相等, 但在加速蠕变阶段两者相差较大;非弹性余能和能量耗散率全域积分分别从驱动结构非平衡演化的内在潜力和实际效果的角度表征了结构的非平衡演化状态和演化趋势, 能量耗散率积分更合适用于评价岩体工程结构的长期稳定性. 最后以深埋地下洞室作为工程算例, 并对其长期稳定性进行分析.      

Analysis of the localization of deformation and the complete stress–strain relation for mesoscopic heterogeneous brittle rock under dynamic uniaxial tensile loading

Stress redistribution induced by excavation results in the tensile zone in parts of the surrounding rock mass. It is significant to analyze the localization of deformation and damage, and to study the complete stress–strain relation for mesoscopic heterogeneous rock under dynamic uniaxial tensile loading. On the basis of micromechanics, the complete stress–strain relation including linear elasticity, nonlinear hardening, rapid stress drop and strain softening is obtained. The behaviors of rapid stress drop and strain softening are due to localization of deformation and damage. The constitutive model, which analyze localization of deformation and damage, is distinct from the conventional model. Theoretical predictions have shown to consistent with the experimental results.     

Intergranular strain evolution near fatigue crack tips in polycrystalline metals

The deformation field near a steady fatigue crack includes a plastic zone in front of the crack tip and a plastic wake behind it, and the magnitude, distribution, and history of the residual strain along the crack path depend on the stress multiaxiality, material properties, and history of stress intensity factor and crack growth rate. An in situ, full-field, non-destructive measurement of lattice strain (which relies on the intergranular interactions of the inhomogeneous deformation fields in neighboring grains) by neutron diffraction techniques has been performed for the fatigue test of a Ni-based superalloy compact tension specimen. These microscopic grain level measurements provided unprecedented information on the fatigue growth mechanisms. A two-scale model is developed to predict the lattice strain evolution near fatigue crack tips in polycrystalline materials. An irreversible, hysteretic cohesive interface model is adopted to simulate a steady fatigue crack, which allows us to generate the stress/strain distribution and history near the fatigue crack tip. The continuum deformation history is used as inputs for the micromechanical analysis of lattice strain evolution using the slip-based crystal plasticity model, thus making a mechanistic connection between macro- and micro-strains. Predictions from perfect grain-boundary simulations exhibit the same lattice strain distributions as in neutron diffraction measurements, except for discrepancies near the crack tip within about one-tenth of the plastic zone size. By considering the intergranular damage, which leads to vanishing intergranular strains as damage proceeds, we find a significantly improved agreement between predicted and measured lattice strains inside the fatigue process zone. Consequently, the intergranular damage near fatigue crack tip is concluded to be responsible for fatigue crack growth.     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

Modelling of quasi-brittle behaviour: a discrete approach coupling anisotropic damage growth and frictional sliding

The paper provides development of the model of anisotropic damage by microcracking proposed by Bargellini et al. 2006. This model is based on a discrete approach, which introduces a finite set of microcrack densities associated with fixed directions. This approach avoids inconveniences encountered when using a single second order tensor damage variable D (non uniqueness of the free energy) and strain decomposition into positive and negative parts (spurious dissipation at crack closure). Frictional sliding on closed microcracks is introduced as an additional dissipative mechanism; it is represented by a second order sliding variable in each damage direction. Corresponding sliding criteria and non-associated sliding evolution laws, formulated in the strain space for the model coherence, permit to account for hysteretic phenomena. Unilateral effect is taken into account; Young's and shear moduli are correctly restored at microcrack closure. The crucial requirements of continuity of the energy and of stress–strain response are ensured through relevant conditions on parameters and sliding variables values at opening-closure. The discrete approach, associated with some hypotheses concerning damage evolution, permits to couple damage and dissipative sliding. The pertinence of the proposed theory is illustrated by simulating first elastic properties at constant damage, then by considering a specific loading path involving both damage and friction evolutions.     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

考虑裂纹闭合效应的岩石损伤本构关系

岩石中的预存裂纹只有在一定的法向压应力即裂纹闭合应力的作用下才可能闭合，其闭合过程与其方位和外加应力场有关，并且，即使对于裂纹已经完全闭合的岩石，如果裂纹闭合应力不同，则岩石的应力应交关系也不相同。本文建立了考虑裂纹闭合效应的岩石细观损伤力学模型，分析了裂纹闭合应力对岩石损伤演化过程和应力应变关系的影响。数值结果表明裂纹闭合应力显著地改变岩石的应力应变关系，表现为随裂纹闭合应力的增加，岩石的轴向应变变化较小，侧向应变和体积应变则大为增加。     

On non-associative anisotropic finite plasticity fully coupled with isotropic ductile damage for metal forming

In this work, non-associative finite strain anisotropic elastoplasticity fully coupled with ductile damage is considered using a thermodynamically consistent framework. First, the kinematics of large strain based on multiplicative decomposition of the total transformation gradient using the rotating frame formulation, is recalled and different objective derivatives defined. By using different anisotropic equivalent stresses (quadratic and non-quadratic) in yield function and in plastic potential, the evolution equations for all the dissipative phenomena are deduced from the generalized normality rule applied to the plastic potential while the consistency condition is still applied to the yield function. The effect of the objective derivatives and the equivalent stresses (quadratic or non-quadratic) on the plastic flow anisotropy and the hardening evolution with damage is considered. Numerical aspects mainly related to the time integration of the fully coupled constitutive equations are discussed. Applications are made to the AISI 304 sheet metal by considering different loading paths as tensile, shear, plane tensile and bulge tests. For each loading path the effect of the rotating frame, the equivalent stress (quadratic or non-quadratic) and the normality rule (with respect to yield function or to the plastic potential) are discussed on the light of some available experimental results.