侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响.基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验.研究结果表明:(1)在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段.岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线.(2)岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系.峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系.(3)随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能U具有波动性,可释放的弹性应变能Ue增幅60.42%,耗散应变能Ud降幅66.38%,Ue/U增幅43.33%,Ud/U降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多.(4)加载速率为0.001~0.1mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程.单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏.     

复杂应力状态下木材力学性能的数值模拟

针对木材复杂的各向异性材料特点,建立了能反映木材正交各向异性弹性、抗拉和抗压强度不等、抗拉或抗剪时发生脆性破坏而受压时发生塑性变形等特性的本构模型。将木材弹性应力—应变关系简化为正交各向异性;选用Yamada-Sun强度准则来判断木材抗压时是否屈服,抗拉或抗剪时是否发生应变软化;通过引入损伤因子和弹性应变能,建立了木材...     

边切斜裂缝岩石单轴压缩缝尖起裂机理试验研究

为研究岩石在压剪荷载作用下的断裂特性，在岩石试样侧边切斜裂缝，预制角度分别为30°、45°、60°的初始裂纹，利用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机进行单轴压缩断裂试验。试验结果表明：边切斜裂缝岩石单轴压缩试样表现为明显脆性，其峰值荷载随初始裂纹角度的增大而增大，大角度初始裂纹具有更高的安全性；试样从预制裂纹尖端开始起裂，并产生向荷载作用方向扩展的翼型裂纹或反翼裂纹，缝尖裂纹扩展初期先受到压剪应力作用，随着裂纹逐渐扩展过程转变为拉应力作用，试样的最终破坏由张拉裂纹主导破坏，初始裂纹角度为45°、60°时伴随部分剪切破坏；裂纹起裂角度随初始裂纹角度的增大而呈现增大趋势，且在初始裂纹角度为60°时，同时出现了反翼裂纹与翼裂纹，起裂模式及角度的控制因素为沿扩展路径方向上法向应力值的相对大小。     

混凝土动态双轴拉压破坏准则细观数值模拟研究

正常服役期内的混凝土结构往往处于复杂应力状态, 并且不可避免地会受到偶发动力载荷作用. 对于复杂载荷作用下的混凝土力学性能研究, 破坏准则是基础. 受试验设备等条件限制, 现有的动态双轴拉压破坏准则形式复杂、缺乏更高应变率和侧应力比范围且尚未综合考虑应变率和侧应力比的耦合作用. 为进一步提出适用范围更高且更准确的混凝土动态双轴拉压破坏准则, 在细观尺度上建立了混凝土立方体三维随机数值模型, 模拟了不同应变率和侧应力比下混凝土材料的动态双轴拉压破坏行为, 分别讨论了应变率和侧应力比对混凝土破坏模式和动态双轴强度的影响, 总结提出了混凝土动态双轴拉压破坏准则. 研究结论如下: 随应变率和侧应力比增大, 混凝土试件内部损伤增多, 裂纹数量增加. 动态双轴拉压工况下, 混凝土动态主轴压缩强度和侧轴拉伸强度均随应变率的增大而增大. 随侧应力比增大, 动态主轴压缩强度减小, 而动态侧轴拉伸强度增大. 本文提出的混凝土动态双轴拉压强度准则具有应变率和侧应力比适用范围大, 形式精炼简洁, 不再受物理试验条件限制和考虑了应变率和侧应力比的耦合作用等优点, 并且该准则得到了不同角度的验证.      

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔-库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力-应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续-非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.     

基于改进Drucker-Prager准则的GFRP管约束高强混凝土短柱单轴压缩分析模型

针对玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer, GFRP)管约束高强混凝土短柱的受力特点，及传统Drucker-Prager (D-P)准则存在拉剪区偏大的问题，提出了一种改进的D-P型塑性约束高强混凝土短柱单轴压缩分析模型，其考虑GFRP管约束效应相关的混凝土硬化/软化规律和非关联流动准则，以提高GFRP管约束高强混凝土短柱单轴压缩下轴向和环向应力-应变曲线的预测精度。该模型在ANSYS软件中实现了GFRP管约束高强混凝土短柱力学性能的计算模拟，并与试验结果的对比表明：两者的应力-应变曲线吻合较好，提出的分析模型合理可靠。此研究可为GFRP管约束高强混凝土的设计提供理论参考。     

基于内动力的对径压缩岩石拉张破裂演化规律研究

岩石是一种复杂的天然非均匀脆性材料，拉压性能差距较大，拉破坏往往控制着岩石工程整体的稳定性.论文将岩石内部某一点在一定尺度范围内所受内力的差异性定义为内动力，进行了对径压缩岩石拉张破裂裂纹扩展实验.采用高速摄像机捕捉破裂瞬时拉张裂纹扩展过程并用数字散斑软件分析第一主应变演化过程.采用连续-非连续方法模拟对径压缩岩石拉张裂纹扩展过程.从实验结果可以看出：拉张破裂裂纹扩展分为三个阶段：拉张破裂变形累计阶段(宏观无裂纹)、拉张破裂裂纹稳定扩展阶段、拉张破裂裂纹动态张裂阶段.将实验、数值计算结果与解析解进行对比分析，实验与数值计算结果扩展规律基本一致，但是与弹性力学解析解不同.解析解基于均匀性假设，而外载荷及岩石本身是非均匀的.外载荷及岩石本身的非均匀性是裂纹起裂点、扩展路径与解析解不相同的主要原因.综合分析给出拉张破裂裂纹扩展规律：当外载荷作用下内动力超过原子或分子连接力则裂纹扩展，扩展方向与内动力的方向垂直.岩石拉张破裂裂纹扩展演化规律的研究可为岩石工程拉张破坏的预防和控制提供理论依据.     

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。     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大，研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析，阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术，可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法CDEM（Continuum Discontinuum Element Method），探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律，并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明，随着含石量的增加，脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小，含石量超过15%之后，单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下，随着交界面比强度的增大，宏观单轴抗压强度逐渐增大；当交界面比强度大于20时，单轴抗压强度基本不变；当交界面比强度小于1时，主要出现贯穿整个试样的裂缝；当交界面比强度大于1时，主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

单轴压缩条件下破裂岩样声发射及能耗特性试验研究

为揭示岩石变形破裂的内在机理及正确评价工程破裂岩体的特性,本文对破裂岩石再破裂过程声发射、能耗特性进行了综合研究。借助MTS伺服试验机及AE21C声发射检测仪,对破裂岩样进行了单轴压缩条件下再破裂过程中的声发射及能耗特性实验研究。研究结果表明:破裂岩样声发射事件-时间曲线主要属于峰前阶段加速增长型,其声发射事件-时间曲线大致可分为声发射初始发展、剧烈、降低三个阶段;在整个压缩破裂过程中,声发射活跃程度总体上大于相对完整岩样;峰值点是声发射特征、能耗特征的转折点;岩样变形破裂过程中,声发射与能耗指标之间存在内在的、必然联系;随着破裂程度的提高,破裂岩样峰值点吸收能量与峰前段耗散能量均逐步降低;破裂岩样表面破裂面分布分形维数同峰值点吸收能量与峰前段耗散能量之间总体上均遵循非线性的二次多项式函数关系。     

基于统一强度理论的岩石弹塑性本构模型及其数值实现

基于弹塑性力学理论，以统一强度准则为屈服准则，建立了考虑硬化/软化行为和应变率效应的岩石弹塑性本构模型；采用Fortran语言通过LS-DYNA的用户自定义材料接口(Umat)对该弹塑性本构模型进行编程，并把该程序生成求解器以达到对该模型进行应用的目的；通过岩石的单轴压缩实验和SHPB实验对所建的弹塑性本构模型进行验证，结果表明，该弹塑性本构模型能够反映岩石在准静态和动态下的力学行为。     

Discrete element modeling of acoustic emission in rock fracture

The acoustic emission (AE) features in rock fracture are simulated numerically with discrete element model (DEM). The specimen is constructed by using spherical particles bonded via the parallel bond model. As a result of the heterogeneity in rock specimen, the failure criterion of bonded particle is coupled by the shear and tensile strengths, which follow a normal probability distribution. The Kaiser effect is simulated in the fracture process, for a cubic rock specimen under uniaxial compression with a constant rate. The AE number is estimated with breakages of bonded particles using a pair of parameters, in the temporal and spatial scale, respectively. It is found that the AE numbers and the elastic energy release curves coincide. The range for the Kaiser effect from the AE number and the elastic energy release are the same. Furthermore, the frequency-magnitude relation of the AE number shows that the value of B determined with DEM is consistent with the experimental data.     

土剪破坏次声监测试验研究

土质滑坡临滑会产生次声波, 次声监测可以作为判断土质滑坡临滑的一种技术手段. 在考虑到滑坡的力学方式是以剪切破坏为主的前提下, 为了探明土质滑坡过程中的次声信号响应特征, 设计了土体直剪实验次声-力-位移联合监测系统, 开展了土体剪破坏次声监测试验, 在次声事件自动拾取的基础上, 结合黏性土渐进性破坏理论, 分析了剪切过程中的微观声学机理, 结果表明: (1)黏性土剪切破坏时发出的次声信号主要来源于弹性阶段中黏土颗粒的相互挤压、弹塑性阶段中以黏土胶体团粒本身的拉张破裂和应变软化阶段中土颗粒间的摩擦; (2)在土体剪切载荷的不同阶段, 次声信号的幅值大小呈现出应变软化阶段<弹性阶段<弹塑性阶段的规律; (3)剪切力与次声信号之间存在较强的相关性, 次声事件的峰值包络线与剪切力趋势线相当吻合, 并且次声信号的均方功率峰值都在推力峰值之前, 平均提前为22.95 s. 研究对进一步利用次声开展土质滑坡的监测和稳定性评价具有重要的理论参考价值.      

YB-2航空有机玻璃的应变率和温度敏感性及其本构模型

为了理解和评价YB-2航空有机玻璃在极端环境下的动态力学性能，采用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆对YB-2航空有机玻璃在218~373 K温度范围、10-3~3 000 s-1应变率范围内的压缩力学行为进行了研究，得到了材料的应力应变曲线。结果表明:随着温度的升高，材料的流动应力逐渐减小而破坏应变呈现增大的趋势；温度相同时，材料的流动应力随应变率的增加而增大，破坏应变随应变率的增加而减小。随着应变率的提高，材料的应变软化效应更加剧烈。基于朱-王-唐(ZWT)本构模型，得到了考虑温度效应的本构参数。结果显示，在8%应变范围内，改进的考虑温度效应的本构模型可以较为理想地表征该材料的应力应变响应。     

饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

压缩-剪切复合应力下PMMA材料的静态力学特性研究

通过压缩具有一定倾斜角(0°,10°,15°,20°和25°)试件和双剪切模型试件,实现了单轴压缩、压缩-剪切复合应力以及纯剪切三种应力状态,得到PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在相应应力状态下的应力-应变曲线,同时对不同应力状态下试件的破坏模式进行了分析。结果表明:在不同受力环境中材料的强度和破坏的机理不同;同单轴压缩状态下相比,材料在压缩-剪切复合应力状态下屈服极限、强度极限以及破坏应变均不同程度的增大,呈现明显的"剪切增强"现象。单轴压缩与压缩-剪切应力状态下试件的破坏模式均为在试件短对角面上出现明显的剪切屈服带,由应力分析得出试件剪应力在短对角面上达到最大,引起在此平面上分子链间滑动从而产生应变软化形成剪切屈服带;双剪切试件的破坏模式为与剪切面呈45°的斜面。