岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究

试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案。采用FLAC - 3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响。试样端部的缚束作用较强时 ,仅在试样中部出现X形的剪切带 ;反之 ,在试样端部出现了倾斜的剪切带。压头刚性越大 ,剪切带倾角越大。块体具有整体平移的特性 ,剪切带边缘位移梯度却较大 ,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质。数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证。     

准噶尔盆地火成岩动态冲击破碎特征研究

针对准噶尔盆地石炭系火成岩难钻地层,利用改进的立式霍普金森压杆装置,开展了准噶尔盆地石炭系的安山岩、流纹岩、凝灰岩、玄武岩四种火成岩的动态冲击破碎实验;分析了4种冲击速度及不同应变率下火成岩的动态峰值应力、破碎特征;建立了应变率与分形维数的关系。结果显示:动态峰值应力与应变率呈较好的正相关性线性关系,玄武岩在应变率为286.7s~(-1)时,动态峰值应力达到653MPa;随着冲击速度增大,岩石应变率持续增加,所有试样的破碎程度明显增大;在冲击速度为16m/s时,岩石试样应变率在157.8s~(-1)～296.3s~(-1)之间,破碎岩屑的平均破碎块度在16mm以下。分形维数能较好地描述岩石的破碎特征,随着应变率的增大,碎屑分形维数呈增大趋势;当应变率超过157.8s-1时,火成岩试样破碎岩屑的分形维数显著增大至1.5以上;在所有冲击破碎实验中,火成岩试样碎屑没有出现粉末状态。相同冲击条件下,四种火成岩中玄武岩表现出更高的强度,动态峰值应力更高。     

岩石紧凑拉伸断裂过程及其尺寸效应的三维数值模拟

采用最近开发的三维岩石破裂过程分析软件RFPA3D模拟单边裂纹紧凑拉伸断裂过程。试验中五个不同尺寸的岩样具有相同的力学性质参数分布,模拟结果得到了裂纹扩展中的应力场、位移场和声发射的空间分布以及单边裂纹扩展贯通的过程。单边裂纹拉伸断裂的路径是一个复杂的空间三维曲面,三维裂纹比二维裂纹更为复杂。分析了岩石试样的峰值强度和试样尺寸之间的关系。随着岩样尺寸的增加,峰值强度逐渐减小,并且延性破坏特征更加明显,模拟结果满足岩石的尺寸效应规律。最后模拟了三组不同均匀性的试样拉伸破坏过程,结果表明细观上的非均匀性对岩石尺寸效应有很大影响,随着非均匀性的增加,岩石宏观强度随之提高,即使在均匀材料中一样存在尺寸效应。     

圆柱体岩石试件在轴向双点负荷作用下应力分布的有限单元分析

用旋转体的有限元分析法,计算了在受轴向双点负荷圆柱体试件内部的应力分布,并讨论了应力分布规律.分析结果表明,应力分布与圆柱体岩石试样h/D(h,D 分别为试样离度和直径)及泊桑比μ有关,为点负荷试验测定岩石抗拉强度进一步提供了依据.     

岩石变形演化诱致灾变破坏过程的同步实验观测

将试样变形场演化特征与试样的宏观载荷位移曲线的演化特征结合起来研究是揭示非均匀脆性介质变形演化诱致灾变破坏的一个重要途径.本文发展了一套实验系统,通过对试样表面变形场的演化、宏观载荷和位移信号的同步观测,对单轴加载下岩石试样变形演化和灾变破坏的过程进行了实验研究.揭示了试样变形场由加载初期的随机涨落到灾变破坏前出现明显的变形局部化的演化特征现象,试样最终在变形局部化区内形成宏观破裂面.     

微波照射下脆性岩石裂纹扩展临界条件及断裂过程研究

基于热力学定律及Griffith断裂理论,建立了包含初始裂纹的脆性岩石理论模型研究微波破岩过程,推导了微波照射下均匀脆性岩石内部初始微裂纹的临界扩展条件。得到微波照射参数与裂纹扩展半径的关系呈V形曲线,且V形曲线上方为裂纹非稳定区域,下方为裂纹稳定区域。将V形曲线左半部分对应的裂纹定义为"初始短裂纹",断裂开始后,裂纹发生动态扩展,此时裂纹扩展行为不能由V形曲线完全描述,动态扩展的最终半径由能量守恒定律推导得到;当输入微波能量达到新的临界值之后,"初始短裂纹"则继续沿V形曲线发生准静态扩展。将V形曲线右半部分对应的裂纹半径定义为"初始长裂纹",对于初始长裂纹,输入的微波能量达到临界值之后,裂纹始终沿V形曲线以准静态方式扩展。根据裂纹扩展行为可以预测微波照射下岩石强度折减规律,其结果与已有实验结果吻合较好,对于指导微波辅助机械破岩工程实践具有重要意义。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

巴西圆盘泥岩试件裂纹扩展及应变演化实验研究

为了研究准静态加载条件下岩石试件巴西劈裂裂纹扩展规律,采用MTS试验机进行准静态加载,同时用高速摄像机记录裂纹扩展过程。采用白光数字散斑处理软件对摄像机记录的照片进行处理,得到试件裂纹扩展过程中应变场的演化情况。通过实验和分析可以看出,由于端部效应及加载方式的原因,因此裂纹起裂点在底部加载部位;泥岩试件表面裂纹的平均扩展速度为252m/s;岩石的非均质性即内部微缺陷、微裂纹使得泥岩试样的开裂并不是沿着中心直径方向,而是偏离一定的角度,初始偏离角度约为17°。裂纹扩展过程可以划分为三个阶段:泥岩试件宏观变形阶段(宏观无裂纹)、宏观裂纹稳定扩展阶段、宏观裂纹动态张裂阶段。同时,在裂纹扩展过程中,表面第一主应变场、水平位移场等变化明显,在开裂部位第一主应变最大。通过对圆盘泥岩试件裂纹扩展实验研究,可为研究岩石破裂及其演化规律提供依据。     

岩石失稳破裂的变形突跳研究

针对在非刚性加载条件下岩石失稳破裂过程中变形突跳的特性, 根据时间的不可逆性, 研究了岩石试样在普通试验机下的变形规律及突跳特性, 得到了与尖点突变模式相似的突变机构。再利用突变理论中尖点突变模型研究由试验机和岩石试样组成的力学系统的失稳机制, 结果表明：两者得到的岩石变形突变量非常相似, 且具有同一变化趋势。     

微波烧结陶瓷热均匀性的三维模拟研究

利用有限元软件COMSOLMultiphysics,考虑了温度和孔隙率敏感的电磁学、热力学和力学的材料性质,基于烧结的连续介质力学建立了耦合电磁-热-力的多物理场、单模微波腔内烧结陶瓷材料的三维模型,实现了整个微波烧结过程的数值模拟,并与实验数据进行了对比,验证了有限元模型的合理性。通过该模拟研究了在烧结过程中材料内的电场、温度和致密化的分布和变化。结果表明,在高介电损耗材料基座作用下,低损耗材料迅速升温,来自微波的电能转换成热量,并观察到显著的介电耦合现象。微波烧结陶瓷材料的结果显示出了加热行为对电磁场分布、材料的介电性能、热力学性能和温度分布的复杂依赖性。试样剖面的温度和温度梯度演变图显示出微波烧结过程中不规则的温度分布情况。这种不均匀性主要是由粉体材料不均匀的电特性和电场分布决定的。本文建立的COV(变异系数)误差图显示出粉体材料微波烧结过程中随温度增加而产生的热异质性。     

含水状态下油页岩非线性损伤蠕变特性研究

为研究水对油页岩蠕变规律的影响,以不同含水状态下油页岩三轴压缩蠕变实验数据为依据,对水作用下油页岩蠕变3个阶段各自的力学特征进行了分析。作者认为,在衰减蠕变和稳态蠕变阶段岩石内部损伤程度较小;当岩石处于加速蠕变阶段时,岩石内部不断产生损伤,呈现出明显非线性特征,同时水作用进一步加剧了岩石蠕变损伤程度。本文将非线性损伤演化方程引入到改进的Burgers模型中,将含水率变化引起的蠕变参数的变化引入到方程中,建立了不同含水率下油页岩非线性损伤蠕变模型。采用非线性最小二乘法反演蠕变参数,将蠕变方程计算结果与实验结果进行拟合,效果良好。     

柱状节理玄武岩体抗剪强度参数尺寸效应研究

结合柱状节理玄武岩块室内直剪试验和现场大尺度直剪试验所取得不同尺度岩块的抗剪参数试验成果,进行异计拟合回归分析得到柱状节理玄武岩体抗剪强度参数内聚力c和内摩擦系数f的尺寸效应经验表达式,认为抗剪强度参数与试样尺寸间近似呈幂函数形式。抗剪强度参数的表征单元体积研究表明,内聚力对试样的尺寸更为敏感。     

数值岩石试样破裂过程多重分形特征

采用数值分析的方法和FLAC3D软件,建立服从应变软化关系的非均质岩石试样模型。引入多重分形理论,通过盒计数法计算了单轴加载过程中峰前某一阶段单元体积应变的多重分形谱f(α)。分析了f(α)-α曲线特征参数#f和#α随加载过程的阶段特征,不同均匀程度的岩石试样在临近峰值强度前#α和f(α)max的变化规律。研究结果表明,采用多重分形理论对单元体积应变的空间分布特征进行描述,可以在较大的尺度内满足标度不变性。通过不同的参量进行概率计算得出的f(α)略有不同,但动态变化规律相近,f(α)曲线呈左钩形状,随着载荷的增加#f变大,而#α变小。当不是所有的盒子内都存在可测度的参量时,f(α)max随载荷的增加而增长。对于均匀程度不同的试样,峰前f(α)max与#α随均匀性的增加而减小,但在均匀性较高以后,逼近于某一常数。     

基于Oda裂隙结构张量的流纹岩各向异性试验研究

岩石内天然存在长度、倾角和形态不同的裂隙,造成岩石的各向异性特征。为揭示岩石内天然随机裂隙发育特征对岩石物理力学特性的影响规律,以泥巴山隧址区采集裂隙性流纹岩为研究对象,首先对试样裂隙进行素描统计分析;然后基于Oda裂隙结构张量,获得天然随机分布裂隙的几何统计参数;最后对裂隙性流纹岩试样分别进行单轴和常规三轴压缩试验,得到不同应力路径下流纹岩的应力-应变曲线及物理力学参数。分析Oda裂隙结构张量定义的各向异性参数与试验获得的力学参数之间的规律,研究结果表明:(1)Oda裂隙结构张量适用于天然随机分布裂隙的几何统计分析,各向异性参数A(F)越大,裂隙优势方向越明显;(2)单轴压缩下,随着各向异性参数I1和A(F)的增大,流纹岩各向异性程度增大,弹性模量减小,泊松比增大;(3)常规三轴压缩下,流纹岩弹性模量和泊松比随各向异性参数改变的规律较不明显,Oda裂隙结构张量不再适用。     

切口曲率半径对岩石断裂韧度KIC值的影响

本文对岩石三点弯曲试样的切口曲率半径与其断裂韧度 K_(Ic)值间的关系进行了详细的实验研究及理论分析.对岩石 K_(Ic)测试中切口的选择提出了建议方法.     

SiC_p/Al-Si合金梯度材料的磨损特性

采用离心铸造技术制备了 Si Cp/ Al- 8.8% Si合金梯度材料 ,并用扫描电子显微镜、HV- 5型小负荷维氏硬度计和ML- 10 0型销 -盘磨粒磨损试验机等设备研究了该梯度材料组织、硬度及耐磨性的梯度分布规律 .结果表明 :因 Si C颗粒的密度比铝合金液的大 ,其在离心力场中偏聚于试样的外侧 ,含量由外向内逐渐降低直至消失 ,呈梯度变化 ;Si Cp/Al- 8.8% Si合金梯度材料的硬度由外向内逐渐降低 ,呈梯度变化 ,与 Si C颗粒的分布规律一致 ;Si Cp/ Al- 8.8% Si合金梯度材料的耐磨性能取决于 Si C颗粒的数量及其分布 ,耐磨性能由外向内逐渐变差 ,呈梯度变化 ,与硬度的分布规律一致     

压缩条件下不同形状玄武岩柱破裂机理数值模拟研究

压缩条件下,不同形状玄武岩柱的强度和变形存在差异,且其破裂机理和破坏模式亦存在区别.本文构建不同形状的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA3D-CT软件的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型,并分别赋予节理、岩石的材料力学参数,其中,考虑节理及岩石的非均质性.进一...     

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针对红透山深部断层下巷道围岩破坏诱发的涌水现象,以该矿水文地质条件 为基础,建立了岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统 (RFPA$^{\rm 2D}$-Flow)模拟研究了深部断层下巷道围岩破坏过程：裂隙形成、扩展到突水通 道最终贯通形成涌水的全过程. 通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化规律进行分析, 揭示了巷道应力重新分布诱发损伤及渗流涌水规律,对涌水通道进行模拟定位,为红透山铜 矿深部巷道支护防渗设计提供了科学依据.     

基于流固耦合方法的水轮机蜗壳结构振动及损伤机理研究

蜗壳流道内的内水压力是引起外围混凝土发生损伤的主要原因.基于流固耦合理论,并引入混凝土弹塑性损伤模型,建立了流体与蜗壳结构耦合振动分析的理论框架,提出了一套水轮机流道内水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动损伤的数值计算方法.首先基于有限体积法建立水轮机蜗壳流道流动的数值模型,同时采用有限元方法建立蜗壳结构固体区域的三维有限元模型;进而将流体区域边界上动水压力作为外荷载实时传递给固体区域边界进行三维有限元非线性损伤瞬态分析,实现了大型水轮机蜗壳结构中流体流场到固体应力、位移场的单向耦合三维数值分析.通过计算分析得到了水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动的响应规律以及混凝土损伤的发展规律.     

岩石力学室内试验技术若干进展

本文讨论了岩石力学室内试验技术的若干进展,主要内容包括:岩石常规力学试验技术、岩石剪切及三轴蠕变试验技术、岩石真三轴试验技术、岩石多场耦合试验技术、岩石声学试验技术、岩石试件的CT实时扫描技术、试验过程的红外线扫描技术以及节理面扫描成像技术等,文章最后对岩石力学室内试验技术的下一步的发展前景做了展望,提出了相应的建议.