基于TCK模型的非贯通节理岩体动态损伤本构模型

提出在岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷；基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及力学特征的宏观损伤变量(张量)的计算公式；基于综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量)及完整岩石动态损伤Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型，建立了相应的单轴压缩下节理岩体动态损伤本构模型；利用该模型讨论了节理内摩擦角及节理长度对岩体动态力学特性的影响规律。研究表明，试件动态峰值强度随着节理内摩擦角的增大而增大，随着节理长度的增加而减小。     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响，损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤，因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质，而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数，均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此，在前人研究的基础上，基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式，进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次，以岩石细观动态损伤模型为基础，结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后，利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响，认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大；岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大；而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时，岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式，其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先，运用模型元件的方法，将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成，对黏弹性响应的Maxwell体进行改进，将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体，构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型；其次，基于断裂力学及应变能理论，对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析，综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能，得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式；最后，将模型计算结果与实验结果进行比较，模型计算结果与实验结果吻合较好，证明了模型的合理性，同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

深部节理岩体塑性损伤耦合微面模型

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹甥性损伤耦合微面模型.在节理岩体的微面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系.采用微面物理量与宏观物理量的几何约束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹颦性增量本构关系.编制了节理岩体微面模型的MARC有限元子程序,对节珲岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳定问题进行了数值模拟研究.数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.     

基于数字图像处理的含缺陷混凝土破裂过程研究

混凝土破坏规律受其缺陷的影响,为了从细观尺度研究含缺陷混凝土破坏规律,基于数字图像处理技术表征混凝土骨料形状、大小及空间分布,运用RFPA2D-DIP软件构建混凝土真实细观模型并进行单轴压缩试验,研究了含不同缺陷混凝土的破坏规律。试验结果表明:相比完整试件,含缺陷试件强度更低,破坏过程应力跌落次数更多,其初始裂纹在预制裂隙及孔洞两端萌生,缺陷与新裂纹的贯通最终导致试件破坏;混凝土中同时存在孔洞和裂隙时,孔洞与裂隙相互影响并形成应力集中的岩桥区域,当孔洞直径不变时,随着裂隙长度增加,试件峰值强度下降,在同一裂隙长度下,随着孔洞直径增大,混凝土峰值强度降低。     

裂隙岩体损伤局部化破坏分岔模型及其应用

采用概率统计方法分析节理裂隙岩体的几何特征，定义了反映裂隙岩体几何特征的组构张量．基于不可逆热力学理论，通过裂纹扩展的细观分析，得出了损伤的发展机理和演化方程，把损伤演化和裂隙的几何特征的变化联系起来，建立了弹塑性损伤本构关系．为分析含有节理裂隙岩体在发生局部化破坏时的特征，通过对发生局部化时的裂隙岩体的分析。构造了适用于节理裂隙岩体局部化分析的不连续分岔模型．利用非线性规划数值解法，可以得出局部化破坏的方向特征．在有限元方法中，根据该模型给出了节理裂隙岩体相关的算例，分析表明该模型用于分析裂隙岩体的局部化破坏是有效的．     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下，脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性，对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而，对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系，提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系，是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出；应变率与动态断裂韧度关系，是根据推出的裂纹速率及应变率关系，与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε₀和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

隧道围岩强度不均地段塌方成因及其处理方法

采用微面模型理论和损伤力学方法，建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型. 在节理岩体的微 面上，将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质，以节理连通率作为岩体沿该方向的面积 损伤变量，考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制，基于塑性 理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系. 采用微面物理量与宏观物理量的几何约 束模型，根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系. 编制了节理岩体微 面模型的MARC有限元子程序，对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳 定问题进行了数值模拟研究. 数值计算结果表明，该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体 的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.     

三维加锚弹塑性损务模型在溪洛渡地下厂房工程中的应用

本文根据断续裂隙岩体的损伤机制,建立了三维弹塑性损伤本构模型反映裂隙岩体的损伤变形特性。考虑断续裂隙岩体的岩锚支护效应,建立了空间损伤锚柱单元模型模拟锚杆的支护效果。最后将建立的模型应用于溪洛渡水电站地下厂房,进行了洞室群开挖弹塑性损伤及岩锚支护三维非线性有限元计算,获得了一些有益的工程结论。     

A dynamic damage constitutive model for a rock mass with non-persistent joints under uniaxial compression

Most problems faced by the practicing rock mass engineering involve the evaluation of rock mass dynamic strength and deformability. As part of a rock mass, the mesoscopic flaws such as the microcracks and the macroscopic ones such as the joints both inherently affect the rock mass dynamic strength and deformational behavior. Nearly none of the existing models can handle the co-effect of these two kinds of flaws on the rock mass dynamic mechanical behavior. This study focusses on the rock mass with multi-sets of non-persistent joints and establishes a mathematical model accounting for the anisotropy in dynamic strength and deformability induced by the joints. Accordingly, an approach incorporating the existing models or methods to enable perfect simulation of the dynamic stress-strain relationship of a rock mass is proposed, in which the joint geometrical parameters such as the joint length and dip angle, the strength ones such as the joint internal friction and the deformational ones such as the joint normal and shear stiffness can all be taken into account. In order to investigate the validity of the proposed model, a series of calculation examples have been made and the results fits very well with the theoretical ones.     

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。     

节理岩体能量损伤本构模型与工程应用

本文根据Betti能量互易定理,节理岩体能量损伤演化方程,广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了节理岩体的能量损伤本构模型,并将该模型编制成三维非线性有限元计算程序应用于溪洛渡地下厂房洞室群施工开挖稳定性分析,获得了较为满意的计算结果。     

Upper and lower bounds for constitutive relation of crack-weakened rock masses under dynamic compressive loads

A micro-mechanics-based model is proposed to investigate the rate-dependent constitutive relation for crack-weakened rock masses subjected to dynamic compressive loads. The present micro-mechanical model reveals that the nucleation, growth and coalescence of sliding cracks dominate the failure and macroscopic properties of crack-weakened rock masses subjected to dynamic compressive loads. The interactions among multiple parallel sliding cracks in crack-weakened rock masses subjected to dynamic compressive loads are examined asymptotically in an explicit and quantitative manner in order to reveal fully their so-called shielding and magnification effects on the stress–strain relation. Based on the micro-mechanical framework and the asymptotic analysis, analytical upper and lower bounds are proposed for the rate-relation for rock masses containing multiple rows of echelon cracks subjected to dynamic compressive loads. The factors that affect the rate-dependent properties of crack-weakened rock masses have been analyzed. The strain energy density factor approach, which is related to crack growth velocity and dynamic fracture toughness of rock material, is employed in the analysis. The rate-dependent constitutive relation of crack-weakened rock masses is derived from micro-mechanical framework and the asymptotic analysis. The closed-form explicit expression for the rate-dependent constitutive relation of rock masses containing echelon cracks subjected to dynamic compressive loads is obtained. Finally, the present model is used to analyze the complete stress–strain relation and strength for jointed rock masses at shiplock slope of the Three Gorges Dam.     

A fracture damage model for Jointed rock masses and its application to the stability analysis of dam abutments

Based on continuum damage mechanics, for jointed rock masses, a fracture damage model is presented in this paper. First, the damage tensors are defined through the elastic-flexibility of intact rock and the equivalent elastic-damage flexibility for rock mass. Then, by the self-consistent principle of solid mechanics, the equivalent elastic-damage flexibility tensors involving the interaction between multicracks are deduced. The damage evolution law is proposed involving the mechanism of crack propagation process: frictional sliding, crack kinking, growing of branched tension cracks, interlinking of the microcracks near branched crack tips leading to the breakthrough of macro-cracks and finally the failure of rock mass. Thus the evolution of damage variables reasonably unified with the process of crack propagation is given. Finally, a plastic-brittle damage constitutive relation including brittle coupled strain rate, developed and applied to the stability analysis of complicated rock foundation of a dam in China, is described in this paper.     

应变率及节理倾角对岩石模拟材料动力特性的影响

采用相似材料模拟实验方法并借助SHPB(split Hopkinson pressure bar)实验系统，探究应变率及节理倾角对节理岩石动态力学性状的影响，包括应力应变曲线特征、破坏模式、能量传递及耗散规律。该实验结果表明:应变率升高，动态弹性模量增大，试件破碎块度变小，完整试件裂纹缺陷沿着平行于压应力方向扩展；节理角度越大，峰值强度越低，但当应变率升高到一定程度，节理角度对岩石破坏形态的影响不再明显；不同试件的入射能、反射能、透射能和耗散能均随应变率升高呈非线性增加，含倾斜角度节理试件的能量耗散率随应变率的变化幅度明显大于完整试件。     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。