复杂应力下脆性岩石材料的微裂纹损伤特性

基于无限大体深埋平片状椭圆形裂纹的变形场及其扩展条件,分别推导了脆性岩石材料内部具有任意空间取向的单个张开型或闭合型椭圆形微裂纹及其扩展引起的附加柔度张量;考虑微裂纹系统对材料变形的影响,引入了概率密度函数,得到了任意应力状态下脆性岩石材料的宏细观损伤模型;分析了椭圆形微裂纹的短长轴比率对材料损伤的影响.计算结果显示:材料损伤随着短长轴比率的增大而增大,短长轴比率对材料损伤的影响会随着载荷的增大而提高.将本文模型应用于混凝土的单轴拉伸和花岗岩的单轴压缩,结果表明本文模型能够对实验现象给予很好地解释.     

单轴荷载下饱水岩石静态和动态抗压强度的细观力学分析

由于单轴荷载下饱水岩石的动态力学特性与静态力学特性存在很大差异,从宏观上进行力学分析 存在局限性。根据岩石受压全应力应变曲线的细观机制,分析了静态及动态单轴荷载条件下孔隙水影响饱水 岩石裂纹扩展的情况。在静态单轴压缩条件下,初始裂隙受压使自由水产生孔隙水压力,自由水对翼裂纹有 向外挤压的应力,促进裂纹扩展。在动态单轴压缩条件下,自由水会产生粘结力,抑制裂纹扩展。根据翼裂纹 受压扩展原理,推导出饱水单轴条件下动态抗压强度、静态抗压强度的计算公式,在相同断裂韧度下,饱水岩 石静态抗压强度风干岩石静态抗压强度饱水岩石动态抗压强度。对自然风干和饱水砂岩进行单轴静态、 动态压缩实验,结果与理论模型的结果相符。     

脆性岩石蠕变裂纹成核宏细观力学机理研究

脆性岩石内部细观裂纹扩展、贯通及成核影响下的脆性蠕变行为, 对深部地下工程围岩微震及岩爆事件评价有着重要意义. 然而, 目前能够解释裂纹成核损伤突变影响下, 脆性岩石完整蠕变宏细观力学机理模型的研究很少. 本文基于脆性岩石亚临界裂纹扩展模型、裂纹-应变-声发射事件相关的损伤模型及裂纹成核损伤时间演化路径函数, 提出了一种脆性岩石裂纹成核损伤突变影响下的蠕变宏细观力学模型. 裂纹成核损伤时间演化路径函数通过岩石内部裂纹成核损伤突变大小$\Delta D_{CN}$及相邻裂纹成核损伤时间差$\Delta t$进行定义, 该函数可以结合岩石声发射监测试验数据定义的岩石损伤数据确定. 通过与试验结果对比分析验证模型的合理性. 并讨论了裂纹成核损伤大小、相邻裂纹成核损伤时间间隔、及裂纹成核数量对脆性岩蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率的影响. 该结果对于更加合理、经济、高效的深部地下工程施工及设计提供了一定的理论支持.      

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。     

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.     

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.     

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。     

考虑微裂纹相互作用的的岩石微观力学弹塑性损伤模型研究

本文建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。用自洽方法考虑裂隙间相互影响,压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用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,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性损伤模型的程序。从围压和微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。     

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。     

基于细观力学的脆性岩石蠕变损伤特性研究

由于孔隙水长期应力侵蚀作用下的亚临界裂纹扩展对脆性岩石的蠕变特性有着重要的影响.论文基于翼型裂纹细观模型与裂纹扩展法则,得到了常压应力作用岩石的裂纹长度演化规律,然后结合宏观应变关系,分析了岩石的蠕变应变演化规律.基于上述关系,讨论了初始损伤一定情况下,裂纹角度对于岩石的蠕变失效特性及短期强度的影响,结果表明了裂纹角度对于脆性岩石的力学特性有着重要的影响.然后结合花岗岩细观力学试验参数,分析了花岗岩的裂纹尖端强度因子,裂纹长度,损伤,蠕变演化规律.并对比分析了蠕变应变的理论与试验结果,两者具有一定的相似性,验证了理论模型的合理性,进而对脆性岩石工程的设计与施工提供了一定的帮助.     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON ROCK BREAKING MECHANISM AND PROCESS UNDER HIGH PRESSURE WATER JET

The numerical simulation method to study rock breaking process and mechanism under high pressure water jet was developed with the continuous mechanics and the FEM theory. The rock damage model and the damage-coupling model suited to analyze the whole process of water jet breaking rock were established with continuum damage mechanics and micro damage mechanics. The numerical results show the dynamic response of rock under water jet and the evolvement of hydrodynamic characteristic of jet during rock breaking is close to reality, and indicates that the body of rock damage and breakage under the general continual jet occurs within several milliseconds, the main damage form is tensile damage caused by rock unload and jet impact, and the evolvement of rock damage shows a step-change trend. On the whole, the numerical results can agree with experimental conclusions, which manifest that the analytical method is feasible and can be applied to guide the research and application of jet breaking rock theory.     

近场动力学研究进展与岩石破裂过程模拟

近场动力学（Peridynamics，PD）作为一种新兴的非局部性理论，在非连续处不需要任何处理，能够很好表述模型从连续到非连续的过程。首先，在PD基本理论简介的基础上，系统回顾了PD的国内外研究现状。其次，采用键型PD理论对非均匀性的圆孔岩板单轴拉伸破裂过程进行了二维数值模拟，采用态型PD理论对单轴、常规三轴以及真三轴等不同压缩条件下的岩石破裂过程进行了三维数值模拟，并以加拿大Mine-by隧洞为例对现场岩体破裂过程进行了模拟，结果表明PD在岩石破裂过程模拟上具有较强适用性。最后，指出当前PD在岩石破裂过程模拟中存在的主要问题和未来值得开展的若干研究课题。     

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.     

不同应力路径下盐岩破坏声发射时序特征研究

利用RMT-150B岩石力学多功能系统和声发射监测系统,对不同应力路径下的盐岩破坏过程进行试验研究。在试验结果基础上,分析了盐岩常规单轴加载、分级加卸载和多级加载过程中的声发射时序特征和变形特征。试验表明:盐岩常规单轴加载变形表现明显的阶段性特征,声发射信号阶段性特征也比较明显;分级加卸载试验中,存在比较明显的记忆效应,在低应力水平有较明显的声发射Kaiser效应,而在70%峰值应力卸载再加载时,则出现Felicity效应;多级加载试验表明,在低应力水平稳压对盐岩造成的损伤不大,很少有新生裂纹;而在高应力水平稳压时,会有大量由新生微裂纹和裂纹扩展产生的声发射事件。     

DOUBLE-MEDIUM CONSTITUTIVE MODEL OF GEOLOGICAL MATERIAL IN UNIAXIAL TENSION AND COMPRESSION

Based on elasto-plasticity and damage mechanics, a double-medium constitutive model of geological material under uniaxial tension and compression was presented, on the assumption that rock and soil materials are the pore-fracture double-medium, and porous medium has no damage occurring, while fracture medium has damage occurring with load. To the implicit equation of the model, iterative method was adopted to obtain the complete stress-strain curve of the material. The result shows that many different distributions (uniform distribution, concentrated distribution and random distribution) of fractures in rock and soil material are the essential reasons of the daedal constitutive relations. By the reason that the double-medium constitutive model separates the material to be porous medium part, which is the main body of elasticity, and fracture medium part, which is the main body of damage, it is of important practical values and theoretical meanings to the study on failure of rock and soil or materials containing damage.     

ANALYSIS OF THE LOCALIZATION OF DAMAGE AND THE COMPLETE STRESS-STRAIN RELATION FOR MESOSCOPIC HETEROGENEOUS ROCK UNDER UNIAXIAL TENSILE LOADING

The mechanical behavior of rock under uniaxial tensile loading is different from that of rock under compressive loads. A micromechanics-based model was proposed for mesoscopic heterogeneous brittle rock undergoing irreversible changes of their microscopic structures due to microcrack growth. The complete stress-strain relation including linear elasticity, nonlinear hardening, rapid stress drop and strain softening was obtained. The influence of all microcracks with different sizes and orientations were introduced into the constitutive relation by using the probability density function describing the distribution of orientations and the probability density function describing the distribution of sizes. The influence of Weibull distribution describing the distribution of orientations and Rayleigh function describing the distribution of sizes on the constitutive relation were researched. Theoretical predictions have shown to be consistent with the experimental results.