综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实, 提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此, 首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述, 其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量), 进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型, 并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明, 在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的, 而后随着应变的增加, 试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加; 随着节理条数的增加, 试件峰值强度逐渐降低, 但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的, 说明了本模型的合理性。     

大岗山高拱坝强地震作用下损伤破坏分析

采用连续损伤力学中能量等效原理和有效应力概念,将混凝土强度降低、刚度劣化即损伤作为不可逆内变量张量,并考虑应变率效应和多轴应力状态,建立率相关弹塑性损伤模型.应力本构积分采用返回映射法,给出了有限元程序主要功能流程.对强地震作用下大岗山高拱坝损伤和破坏情况进行数值模拟,评价其强震后的安全性.结果显示,大坝在强震后总体损伤不大,结构安全性较好,但应注意抗震薄弱部位;同时大坝不同部位率响应明显不同,对混凝土力学性能影响不容忽视.     

Microvoid multistage nucleation model and its application in analysis of micro damage and fracture

In this paper, the microvoid multistage nucleation model [14,15] suggested by the authors of this paper has been studied on the micro ductile damage and fracture of metallic material under large elastic-plastic deformation.Using this model, the analyses of micro damage and fracture for various axisymmetric tensile specimens and for TPB and CCP cracked specimens have been carried out. And the results from these analyses on damage development and fracture are in good agreement with the experimental ones for axisymmetric specimens and reasonable for cracked specimens from the microscopic point of view.The project surported by National Science Foundations of China.     

损伤围岩中爆炸应力波动的数值模拟

应用有限元方法分析了硐室损伤围岩中爆炸应力波的传播和应力分布特征,通过引入JHC本构模型和岩石损伤变量D探讨了应力波作用下岩体的损伤演化模式。研究表明：围岩初始损伤对后续爆炸应力波的波动性质、作用范围和围岩应力分布具有不同程度的影响。当初始损伤超过某临界值后会显著地影响应力波的波动范围和围岩应力分布;在一定爆炸当量下,爆炸应力存在一个有效作用范围Lp,该范围塑性区以内,爆炸应力对岩体的损伤随围岩初始损伤增大而增大;有效作用范围Lp以外,围岩初始残余非弹性变形积累和单元残余拉应力可以平衡爆炸应力波动产生的损伤叠加效应,耗散了爆炸应力作用和波动能量。分析了产生在这种现象的原因。给出了有效作用范围Lp与围岩初始等效应力p之间的经验关系。     

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。     

考虑混凝土应变率变化的高拱坝非线性动力响应研究

提出一种新的应变率相关的混凝土非线性弹塑性损伤模型。采用此模型对混凝土拱坝的非线性地震响应作了分析。在综合考虑坝-地基-库水动力相互作用和坝缝非线性接触的基础上，着重研究了混凝土应交率相关效应及加载历史对混凝土极限强度等重要参数及拱坝响应的影响，并与采用不考虑应交率影响的混凝土损伤模型计算结果进行了对比分析。结果表明，拱坝考虑横缝作用后的坝面应变率分布不同于整体拱坝。应交率分布形态不仅可以很好地表征拱坝的振动形态，而且对于高拱坝的动力响应的影响也不可忽略。     

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。     

反倾层状岩质边坡失稳的断裂力学分析

反倾层状岩质边坡的高危地质灾害承载体在自然界中普遍存在,为研究其失稳破坏机制,将反倾边坡岩层简化为一个带裂缝的悬臂梁,建立了由一组结构面控制边坡稳定性的断裂力学模型,推导了各岩层结构面等效应力强度因子和岩层及边坡稳定性判据。分析了岩层倾角、层厚、结构面长度、内摩擦角和粘聚力5个因素对边坡的稳定性影响。结果表明,随着岩层倾角和结构面长度的增加,边坡不稳定区域增加,坡脚处的抗滑稳定性减小;随着内摩擦角和粘聚力的增大,边坡不稳定区域减小,坡脚处的抗滑稳定性增大;随着岩层厚度的增大,不稳定岩层的范围基本保持不变,但是岩层的抗滑稳定区域随着厚度增加逐渐向坡脚移动,厚度越大,坡脚处的抗滑稳定性越大。实例分析验证了本文理论的合理与可行性,研究结论对工程实践具有一定指导意义。     

微孔洞唯象损伤力学模型及其应用

基于微损伤发展的NAG(nucleation and growth)模型,从唯相角度,得到了一种微孔洞损伤演化方程。在考虑损伤软化和温度软化的基础上得到了材料含损伤本构关系。将损伤演化方程和材料本构关系引入ABAQUS有限元软件对D6AC和921两种钢板撞击层裂问题进行数值模拟。模拟结果与实验结果吻合。     

Allowing for the plastic properties of rock in stability problems for a stratified rock mass

The paper addresses the important issue of allowing for the inelastic properties of rock in stability problems for a stratified rock mass. A three-dimensional nonlinear problem statement is used. An exact method to study the surface instability of a regularly layered semi-infinite medium is developed. New numerical results are obtained __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 43, No. 12, pp. 68–81, December 2007.     

顺层岩质边坡爆破的振动控制及损伤特性

为了更好地了解顺层岩质边坡爆破开挖时振动速度的传播规律以及坡体的损伤程度,以云南省普宣高速公路顺层边坡爆破开挖为工程背景,利用声波测试结合监测点振动速度的方法,获取坡体不同深度的声速变化及不同位置的振动速度,分析不同药量下单次和多次爆破的坡体损伤范围以及振动速度的衰减规律。研究表明,爆破区任意点的振动速度与损伤深度存在对应关系:对单次爆破,振动速度与损伤深度呈线性关系,而对多次爆破,振动速度与损伤深度呈非线性关系;以声速降低率10%作为损伤界限,并作为爆破控制时,单次爆破对应的临界振动速度为11.54 cm/s,损伤半径为5.57 m;,基于首次爆破的多次爆破临界振动速度为24.20 cm/s,最大损伤半径为7.56 m,并由萨道夫基公式得到2种方式的最大起爆药量。     

金属矿山矿柱回采时爆破荷载下采空区的围岩稳定性

以朝不楞矿区铁锌多金属矿山工程地质为依据,采用FLAC-3D软件及超声波测试,以岩体爆破损伤理论为基础,系统研究了多次爆破作用下井下分段回采巷道掘进时,回采巷道围岩损伤累计增长规律,并对尾砂胶结物充填相邻采空区下的矿柱回采进行了三维有限元数值模拟,分析了围岩爆破累计损伤和残留矿体矿柱回采及采空区稳定性。     

深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下,原有的平衡状态被打破,围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下,岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性,因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发,结合统计物理学观点,为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍,并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。     

一种岩石损伤本构模型在地下强爆炸中的应用

为了描述地下爆炸波的传播,建立了一种考虑塑性硬化、剪胀和损伤软化效应的岩石本构模型,并应用于地下强爆炸自由场的数值计算,获得的速度和位移波形以及峰值速度衰减曲线等与国外地下试验测量数据和同类计算相比十分接近,从而验证了本构模型的有效性。     

软弱顺倾岩体爆破层裂的准静态力学模型应用研究

针对顺倾岩质边坡爆破引起软弱夹层冲刷、压密而影响边坡稳定的问题,应用爆轰气体等熵绝热膨胀理论,建立深孔爆破过程中软弱顺倾边坡的准静态力学模型,导出了爆炸作用在软弱夹层内形成爆腔后的准静态压力和软弱层临界层裂长度计算公式。通过分析爆轰气体楔入层面内对边坡岩体产生的抬动作用,推得了边坡潜在滑体的稳定系数与装药参数、岩体力学参数和边坡几何尺寸的定量关系。将提出的准静态力学模型应用于两个典型顺倾岩质边坡的爆破动力稳定分析,得到了与工程实际相符合的计算结果。     

基于FDM-DEM耦合的冲击损伤大理岩静态断裂力学特征研究

为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分（finite difference method,FDM）-离散元（discrete element method,DEM）耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）数值模型,其中杆件系统和岩石试件分别采用FLAC3D和PFC3D程序建模。利用该模型对中心直切槽半圆盘（NSCB）试样进行了恒定子弹速度下的循环冲击,随后对受损试样进行静态三点弯曲断裂实验。通过编写Fish程序,提取试样断裂面数据,对断裂面进行重构并定量计算表面粗糙度。通过与相关室内实验结果的对比分析,验证了本文数值分析的合理性与可靠性。模拟结果表明,随着循环冲击次数的增加,试样内部微裂纹、破碎颗粒均增加。连接力场分布混乱,部分力链发生断裂。力链的变化是试样力学性能劣化的根本原因。在静态三点弯曲断裂实验中,冲击5次后试样的静态断裂韧度较天然试样产生一定程度的降低。试样在静载过程中产生的微裂纹和碎块的数量随循环冲击次数的增加而增加,断裂面粗糙度随循环冲击次数的增加而增加。     

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理

利用扫描电镜(SEM)对岩爆岩石断口微观形貌特征进行研究分析,从微观角度探索岩爆产生的机理。通过对平顶山十二矿岩爆现场取样对其断口形貌特征与地应力和岩石成分之间关系进行研究。巷道围岩劈裂岩块断口形貌多呈台阶状,劈裂面与地应力最大主应力方向平行,岩石断口属拉张断裂,劈裂纹的产生主要是脆性断裂;岩爆抛射出的岩块断口形貌非常复杂,裂面与切应力(最大主应力)方向平行或相交,不同平面内的微裂纹通过与岩爆裂纹间的微裂纹或受撕裂作用形成台阶,表面不平整,属于拉张或剪切型断裂。岩石细观成分对岩爆的影响也较大,结晶程度高、结构致密的硬脆岩石更易发生岩爆。     

Analysis of the localization of damage and the complete stress-strain relation for mesoscopic heterogeneous brittle rock subjected to compressive loads

A micromechanics-based model is established. The model takes the interaction among sliding cracks into account, and it is able to quantify the effect of various parameters on the localization condition of damage and deformation for brittle rock subjected to compressive loads. The closed-form explicit expression for the complete stress-strain relation of rock containing microcracks subjected to compressive loads was obtained. It is showed that the complete stress-strain relation includes linear elasticity, nonlinear hardening, rapid stress drop and strain softening. The behavior of rapid stress drop and strain softening is due to localization of deformation and damage. Theoretical predictions have shown to be consistent with the exoerimental results.     

循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化的模型实验

针对推进式循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化问题,按照相似比理论进行模型实验研究,实验模型采用1:15比例浇筑制成。通过模拟隧道推进式循环爆破开挖方式,以同一测点处爆破前后岩体声速变化评价隧道围岩损伤程度,探寻爆破参量变化对振动效应的影响,探索围岩损伤演化与爆破次数之间的关系。研究结果表明:在最大段药量大致相同情况下,起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小,而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大;隧道在推进式循环爆破开挖下,同一深度距离爆区相同的测点,其声速降低率存在较大差异,围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面均具有典型的各向异性特征;当爆炸参量基本相同时,不同循环爆破开挖下测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势;在推进式循环爆破加载下,围岩爆破累积损伤量D与爆破次数n之间存在非线性演化特性,不同的测点具有各自的爆破累积损伤扩展模型,距离爆源越近爆破损伤扩展越快,围岩爆破累积损伤效应具有典型的非线性演化特性和各向异性特征。     

饱和水泥试样被爆炸激波损伤破碎的尺度研究

利用水中爆炸冲击波使水泥试样损伤破坏,模拟爆炸采油时激波使岩石损伤开裂的现象。实验获得了适合本实验条件的激波峰压衰减规律pm8.2(W1/3/R)1.46,得知压碎区尺度为集中装药特征尺度的2～5倍、拉伸损伤区尺度为集中装药特征尺度的20～30倍,激波使水泥试样破碎、拉裂的能量占总能量的2%～7%。