岩石弹塑性破裂过程的数值模拟研究

分析了对于非均质、非连续且材料参数分布具有分散性和随机性的岩体介质，采用传统有限元法解决其工程问题的局限性．阐述了用岩石力学性质的分布特性来描述岩石材料不均匀性，并用蒙特卡洛模拟方法，将符合Weibull分布规律的材料参数赋予岩体结构中的各个单元体，进而用计算机进行数值模拟的研究方法．应用了在Windows95环境下利用FORTRAN Power Station4．0平台开发的具有可视性的“岩石弹塑性破裂过程分析”软件——REPFPA软件，对典型的岩石试样和巷道模型的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究，得到了有价值的实验结果．证明把材料参数随机赋值方法引入到岩土类材料的弹塑性破裂过程分析中去，并用计算机进行数值模拟是研究岩石弹塑性破裂过程的一种有效方法。     

非均质材料弹塑性破裂过程的数值模拟研究

阐述了岩土类材料的非均质特性，根据这种特性提出了对材料参数进行随机赋值的方法。为了对非匀质类材料的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究，必须在有限元计算中实现材料的参数随机赋值。还给出了实例－－平面应力状态下试样的弹塑性破裂过程的数值模拟分析。     

非匀质材料弹塑性破裂过程的数值模拟研究

 阐述了岩土类材料的非匀质特性, 根据这种特性提出了对材料参 数进行随机赋值的方法. 为了对非匀质类材料的弹塑性破裂过程进行数 值模拟研究,必须在有限元计算中实现材料的参数随机赋值.还给出了实 例------平面应力状态下试样的弹塑性破裂过程的数值模拟分析.     

裂纹尖端弹塑性变形的实验测量与有限元计算

用显微网格数字图像处理方法，测量了Ｆｅ－Ｓｉ材料平面应力条件下Ⅰ型单边裂纹尖端附近的应变场，并且用弹塑性有限元程序进行了数值模拟。对实测结果和有限元计算模拟结果进行了对比分析。结果表明：逐级更新拉格朗日坐标体系下的弹塑性有限元计算在裂纹尖端不出现严重钝化和损伤的条件下，可以正确反映裂尖区域的弹塑性变形。在裂纹接近临界扩展时，有限元计算与实测结果之间有较大差别，其原因有待进一步研究。     

小型双脉冲发动机金属膜片的承压与破裂

为了得到双脉冲发动机隔舱处金属膜片的适宜结构，本文中采用Johnson-Cook材料损伤模型对不同规格金属膜片的承压、破裂过程进行了数值模拟，确定某种规格金属膜片满足设计要求。针对符合要求的金属膜片结构，设计了一套测双向测压装置，对金属膜片的承压、破裂过程依次进行试验。验证了所采用的金属膜片在一脉冲工作时其结构完整没有发生破裂，在二脉冲工作时金属膜片沿着预制刻痕破裂且没有金属碎片脱离，承压和破裂均能满足发动机正常工作要求。通过数值模拟和实验进行对比，发现得到的结果接近，说明采用本文的数值模拟方法研究金属膜片承压与破裂是可行的。通过数值模拟发现，在相同金属膜片厚径比时，随着金属膜片直径的增大，破裂时所需的压强先增大后减小再增大。     

弹塑性数值流形方法在边坡稳定分析中的应用

针对现有数值流形方法只能进行弹性计算的不足,建立了一个能够反映完整岩块弹塑性变形特征的本构模型,并借助VC++开发了内置该本构模型的弹塑性数值流形程序。利用该程序模拟了含单节理岩样的室内压缩试验,分析得到了其强度和变形特性,计算结果符合实际的物理现象,表明程序是正确有效的。考虑到数值流形方法本身能够有效模拟材料的不连续变形,新增的弹塑性分析功能又可以反映岩石的强度特性,将弹塑性数值流形程序应用于某含有不连续面的岩石边坡的稳定性分析。并结合锚杆单元的使用,对比分析了不同锚固方案的加固效果。程序提供的变形、应力等计算结果表明：预应力锚杆不仅可以防止不连续面发生剪切破坏,增强坡体的稳定性,限制塑性变形的发展;而且可以使不连续软弱层面对岩体变形的消极影响得以减弱,起到提高岩体整体性的作用。     

岩石破裂滑动过程及其声发射数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统, 对滑动形成过程进行了数值模拟研究。滑动岩体似为非均匀弹 -脆岩石材料, 模拟结果再现了滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程及其声发射规律。     

基于颗粒流的混凝土材料数值实验研究

混凝土材料是一种典型的非均质材料,其力学行为和破坏过程很复杂.本文利用PFC颗粒流软件的内嵌fish语言编写了骨料生成程序、边界条件控制程序,程序模拟了MTS伺服功能,实现了虚拟的混凝土单轴压缩试验.相对于一般有限元程序投放的骨料,文中骨料可以破裂.在生成的数值试件基础上,设计了单级配和全级配混凝土单轴压缩试验,并对其破裂形态、裂纹扩展过程、应力应变曲线和破裂过程能量变化规律进行了研究.利用该虚拟试验平台,可对混凝土的动、静力学特性进行系统研究.     

微缺陷对圆管膨胀断裂的影响

通过理论和数值模拟分析了缺陷方向和位置对圆管膨胀破裂的影响,采用微缺陷研究方法进行了新的解释。采用含微缺陷的圆管模型探讨了微缺陷对圆管膨胀断裂影响,表明微缺陷将加速圆管径向扩展和剪切扩展相互贯通的过程。分析了实验获得的膨胀断裂应变与作为材料基本参数提供给计算程序的断裂（失效）应变的关系,说明在考虑圆管沿壁厚的破裂过程中,两者不是同一概念,只有将实验获得的断裂应变经过一定的推导后才能作为材料基本参数用于程序计算。     

破片撞击装药点火实验和数值模拟

实验中采用升 降法得到了破片撞击装药点火的临界速度范围,数值模拟中采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程描述了炸药的破坏行为和点火反应。实验结果与数值模拟结果吻合较好。研究结果表明,采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程可以有效地描述装药在破片撞击作用下的破坏行为和点火反应。     

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。     

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。     

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

冲击扰动下泥页岩块剪切蠕变损伤特性研究

矿体爆破是大多数露天矿山开采作业中的必要环节,然而持续爆破作业产生的冲击扰动作用会降低露天边坡的长期稳定性,甚至促使滑坡灾害的发生。为研究冲击扰动效应对边坡岩体蠕变特性的影响,以露天石灰石矿山二叠系软弱夹层中的炭质泥页岩为研究对象,利用自主研发的岩石冲击-剪切蠕变试验系统开展了不同冲击能量扰动下的剪切蠕变试验。试验结果表明：（1）冲击扰动对软岩剪切蠕变破坏具有明显的促进作用,随着冲击扰动能量的增加,软岩进入加速蠕变历时缩短,蠕变破坏总时长与剪切蠕变破坏强度亦随之降低。（2）冲击能量可改变泥页岩剪切破坏面的发育特征,冲击扰动能量越大,剪切面裂隙发育越充分且岩样结构形态越破碎。（3）岩样总体变形量与冲击能量呈正相关关系,随着冲击能量的增加,其造成的总变形中塑性永久变形占比越大而弹性变形占比约小,当冲击能量为7.09J时两次冲击后的塑形永久变形占比均不小于73.1%。根据试验结果,引入基于冲击能量的损伤因子D,建立了考虑冲击扰动效应的软岩剪切蠕变损伤模型。采用BFGS算法和1stOpt通用全局优化数学软件进行了模型参数辨识,采用损伤模型对试验结果进行拟合后发现,所建立模型能够较好地描述冲击扰动下泥页岩剪切蠕变变形的全过程,可为爆破扰动效应下的矿山边坡长期稳定性研究提供一定的理论基础。     

三种红层岩石常规三轴压缩下的强度与变形特性研究

利用MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验系统研究了川东地区一红层边坡中的砂岩、粉砂岩和泥岩围压为0³MPa的应力-应变全过程曲线,建立了峰值强度、峰值强度前弹性模量以及峰值强度后的弹性模量和围压的关系。将低围压下红层的全应力-应变曲线概化成5个阶段,分别为压密段、弹性段、屈服段、应变软化段和塑性流动阶段。试验结果得出,红层弹性模量随围压的增加而提高且变化明显,砂岩和粉砂岩在此围压内为脆性破坏,泥岩为塑性破坏的规律。     

爆炸与冲击问题的可视化研究

针对二维多物质流体弹塑性程序SMMIC(自行开发 )的结果 ,采用VisualC+ + 语言 ,自行开发设计了一个切实可行的二维爆炸场可视化工具软件 ,以此来研究二维爆炸与冲击数值模拟结果的可视化问题。对混凝土中的爆炸问题做了详细分析 ,对数值模拟结果进行了可视化处理 ,可视化的效果比较令人满意。从可视化的结果中不仅可以展现爆炸与冲击过程的整体概貌 ,而且可以清晰的显示爆炸与冲击过程的细微过程 (如爆炸场中冲击波遇障碍物后的反射、绕流及马赫反射等 )。     

The elasto-plastic constitutive relation of generalized cap model for rock medium

In this paper,the rock behavior before yielding is analyzedby using the theory of continuum mechanics.The nonlinearlyelastic constitutive equation of rock medium is derived andcompared satisfactorily with the available experimental data.Moreover,the substitution of the linearly elastic hypothe-sis used in the conventional cap model with the nonlinearlyelastic one leads to the development of a new nonlinearly e-lastic-hardening plastic cap model as presented herein-     

EXPERIMENTAL RESEARCH ON FAILURE AND ENERGY DISSIPATION CHRACTERISTICS OF THE SANDSTONE1)

通过三轴卸荷试验,探究了不同路径下卸荷速率对砂岩力学特性及破坏过程中的能量耗散的影响。试验结果表明在全过程应力-应变曲线的弹性阶段,轴向变形起主导作用,弹塑性阶段,环向应变的增加值大于轴向应变增加值。在围压卸荷阶段,卸荷速率越小,卸荷阶段的应变折合柔度越大,此时岩样的变形不充分,呈现明显的脆性破坏。恒主应力差路径下的耗散能大于恒轴压路径下的耗散能的35%,卸荷速率越大,岩样的弹性应变能越小。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

Displacement of surrounding rock in a deep circular hole considering double moduli and strength-stiffness degradation

The problem of cavity stability widely exists in deep underground engineering and energy exploitation. First, the stress field of the surrounding rock under the uniform stress field is deduced based on a post-peak strength drop model considering the rock's characteristics of constant modulus and double moduli. Then, the orthogonal non-associative flow rule is used to establish the displacement of the surrounding rock under constant modulus and double moduli, respectively, considering the stiffness degradation and dilatancy effects in the plastic region and assuming that the elastic strain in the plastic region satisfies the elastic constitutive relationship. Finally, the evolution of the displacement in the surrounding rock is analyzed under the effects of the double modulus characteristics, the strength drop, the stiffness degradation, and the dilatancy. The results show that the displacement solutions of the surrounding rock under constant modulus and double moduli have a unified expression. The coefficients of the expression are related to the stress field of the original rock, the elastic constant of the surrounding rock, the strength parameters, and the dilatancy angle. The strength drop, the stiffness degradation, and the dilatancy effects all have effects on the displacement. The effects can be characterized by quantitative relationships.