岩石巴西圆盘动态劈裂的流形元法模拟

利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生与扩展判据,对冲击载荷作用下岩石平台巴西圆盘的动态拉伸劈裂过程进行了数值模拟,再现拉伸波作用下圆盘被劈裂的过程。模拟现象与实验结果相符,动态平衡时的应力分布与有限元结果基本一致。从而验证了流形元在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程的有效性和可行性。     

冲击载荷作用下准脆性连续体破裂问题研究

在连续体动力问题中心差分算法的基础上,引进准脆性材料的破坏准则,节点单元的破裂算法、离散子块的接触搜索及接触力计算等,对准脆性连续体在冲击载荷作用下的破裂破坏问题进行数值模拟.通过数值算例,给出结构在冲击载荷作用下裂纹产生和扩展的模拟结果图,初步验证程序的正确性和可应用性,为模拟连续体转变为非连续体这一复杂物理过程提出新方法和新思路.     

动静荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值识别

压缩荷载作用下岩石裂纹扩展应力阈值的识别是理解岩石渐进破坏过程和分析岩石宏观破坏机制的重要基础。对大理岩、粗花岗岩和细花岗岩开展了单轴压缩和动态冲击试验,引入岩石裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变两个参数,根据岩石单轴压缩破坏时裂纹径向面积应变曲线斜率的不同,把以上三种岩石分成类型Ⅰ（大理岩）和类型Ⅱ（粗花岗岩和细花岗岩）岩石。研究表明,对于类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石,分别利用其裂纹轴向应变和裂纹轴向应变刚度曲线特征点能准确识别出岩石在静态压缩荷载下裂纹稳定扩展应力σ_sd、裂纹不稳定扩展应力σ_usd以及裂纹相互贯通应力σ_ct,证明了仅利用轴向应变数据就可对类型Ⅰ和类型Ⅱ岩石静荷载下应力阈值进行识别。而后将裂纹轴向应变法推广至动态冲击荷载下岩石的应力阈值识别,解决了动态冲击压缩载荷作用下试样难以进行裂纹扩展应力阈值识别的问题。与静态荷载下岩石的裂纹扩展应力阈值不同,在动态冲击荷载下,岩石裂纹稳定扩展应力与峰值强度的比值有所减小,裂纹不稳定扩展应力和裂纹相互贯通应力阈值相等,且与峰值强度的比值也有所减小,岩石产生更多的贯通裂纹,试样破坏时破碎程度更高。

     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

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.     

岩石边坡裂隙渗流的流形元模拟

为了能够更好地考虑裂隙渗流在岩石边坡破坏中的作用,在考虑裂纹扩展的数值流形方法程序基础上,从最小势能原理出发,阐述了渗流与变形的耦合作用机理并推导了相应的耦合方程,在程序中实现了对渗流与断裂的模拟。最后利用该程序对含初始裂隙的岩石边坡在渗流作用下的破坏过程进行了模拟。模拟结果很好地再现了边坡在渗流作用下的实际破坏过程。同时通过对裂纹扩展过程中应力强度因子的计算发现,第一应力强度因子始终大于第二应力强度因子,且随着计算时间增加,二者的差值逐渐增大,裂纹扩展以Ⅰ型为主。     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

细观尺度下岩石热变形破坏的实验研究

利用带扫描电镜的高温疲劳试验机等目前最先进的实验手段,实时观测了在温度和载荷同时作用下岩石在单向压缩和和拉伸中微细观结构的变化、缺陷演化方式和变形破坏过程,针对岩石的热膨胀是不可逆的,即它会受加温历史的影响,加热时和冷却后岩石结构有差异的特点,对岩石在温度载荷作用下的细观结构特征和细观破坏机理进行了较为系统的实验研究。得到了在不同载荷和温度作用下岩石中微裂纹萌生、扩展、断裂破坏等各个阶段清晰的SEM图像和数据。结合实时观测得到的数据和高清晰度图片,分析研究了岩石热细观损伤特性,探讨了载荷和温度的变化对岩石细观结构的影响。     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看,混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料.单轴准静态加载条件下,应力应变曲线表现出明显的准脆性特征.其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程,研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程.声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息.本文基于声发射技术,结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析,反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向,揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制.结果表明:裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生,之后聚集形成局部损伤区域,并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向);裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量,初始裂纹成核时体积参数较小,峰值载荷时,裂纹运动体积最大达到5.93×10-4 mm3;混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹;拉伸裂纹最多,占裂纹总数约为60%,剪切裂纹最少,约占裂纹总数的10%;拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.     

EVALUATION ON STRESS INTENSITY FACTOR OF CRACK UNDER DYNAMIC LOAD USING NUMERICAL MANIFOLD METHOD

相较于传统有限元,数值流形方法（numerical manifold method, NMM） 的一个显著优点是在处理裂纹问题时网格无需与裂纹重合,这就方便了岩体破坏过程的模拟. 基于包含裂尖增强函数的NMM,采用Newmark 隐式动力学算法进行时间积分,重点研究了动力载荷条件下裂纹动态应力强度因子（dynamic stress intensity factor,DSIF） 的求解方法. 针对典型的线弹性动力裂纹问题,给出了NMM 的数值算例. 结果表明NMM 能够准确计算动载荷条件下裂纹的DSIF,并且具有较好的收敛性.     

不同耦合介质爆破裂纹动态扩展特性研究

不耦合装药结构能有效改善爆破效果。为探究不同耦合介质对爆破效果的影响,利用透射式数字激光焦散线实验系统,对有机玻璃板(polymethyl methacrylate, PMMA)试件开展水、空气、沙土3种耦合介质的不耦合爆破试验,研究不同耦合介质爆后裂纹形貌,计算裂纹分形维数,定量评价岩石破坏程度。分析裂纹扩展速度与动态应力强度因子变化规律,对比不同耦合介质下爆生裂纹的动态力学行为。结合数值模拟进行辅助分析,解释不同耦合介质对数值模拟中爆破损伤范围、孔壁压力时间曲线和岩石模型的总能量曲线的影响规律。结果表明：水耦合爆后裂纹分形维数最大,炮孔周围裂纹数量众多,主裂纹扩展长度最大,爆破效果最佳。沙土耦合爆破需要更多的能量使裂尖起裂,其动态应力强度因子最大。模拟得到的损伤云图与实验结果一致,水耦合损伤范围最大,空气耦合次之,沙土耦合损伤范围集中在炮孔周围。而孔壁压力时程曲线、能量时程曲线则验证爆破实验结果,表明水耦合爆破能更好地利用爆炸能量,提高试件的破坏效果。

     

动载下裂纹应力强度因子计算的数值流形元法

相较于传统有限元,数值流形方法（numerical manifold method, NMM） 的一个显著优点是在处理裂纹问题时网格无需与裂纹重合,这就方便了岩体破坏过程的模拟. 基于包含裂尖增强函数的NMM,采用Newmark 隐式动力学算法进行时间积分,重点研究了动力载荷条件下裂纹动态应力强度因子（dynamic stress intensity factor,DSIF） 的求解方法. 针对典型的线弹性动力裂纹问题,给出了NMM 的数值算例. 结果表明NMM 能够准确计算动载荷条件下裂纹的DSIF,并且具有较好的收敛性.      

爆炸荷载下岩石破坏的数值流形方法模拟

为了更好地利用数值流形方法对动力学问题进行分析,在对原数值流形方法中的动力学问题求解思想进行分析的基础上,采用动力有限元方法中的Newmark法对该算法进行了改进。改进后的数值流形方法与原来相比具有三个明显的优势：（1）当选择合适的参数后,该方法能够保证解的无条件收敛;（2）可以采用比原算法大得多的时间步长;（3）充分考虑了动力学问题中的阻尼效应。最后通过一个算例说明了改进后的数值流形方法能够很好地模拟岩石在冲击载荷作用下破坏的全过程,克服了有限元法不能模拟岩石破坏后块体运动情况的不足。     

多裂纹扩展的数值流形法

数值流形法的求解体系建立在两套覆盖(包括数学覆盖和物理覆盖) 和接触环路的基础之上,实现了对连续和非连续问题的统一求解. 在处理裂纹问题时,数学覆盖无需与裂纹重合,方便岩体破坏过程的模拟. 通过在裂纹尖端影响区域内的物理片上增加用于模拟应力奇异性的增强位移函数,发展了扩展的数值流形法. 在此基础上,提出一种多裂纹扩展的控制算法,并给出了裂纹扩展过程中材料体的整体响应. 针对典型的线弹性断裂力学问题, 给出的数值算例表明所建议的方法是正确有效的.      

数值流形方法及其在岩石力学中的应用

数值流形方法是目前岩石力学分析的主要方法之一.该方法起源于不连续变形分析,主要用于统一求解连续和非连续问题,其核心技术是在分析时采用了双重网格:数学网格提供的节点形成求解域的有限覆盖和权函数;而物理网格为求解的积分域.数学网格被用来建立数学覆盖,数学覆盖与物理网格的交集定义为物理覆盖,由物理覆盖的交集形成流形单元.流形方法的优点在于它使用了独立的数学和物理网格,具有和有限元明显不同的定义形式,且数学网格对于同一问题不同的求解精度的需求可以很方便地细化.由于该方法考虑了块体运动学,可以模拟节理岩体裂隙的开裂和闭合过程,因而在岩石力学中得到了广泛应用,近年来许多学者对该方法进行了研究.本文简要叙述了节理岩体的数值方法从连续到非连续的发展过程,详细地介绍了数值流形方法的组成和数值流形方法在岩石力学及其相关领域的研究和发展概况,最后就作者所关心的一些问题,如三维问题的数值流形方法、数值流形方法在物理非线性问题和裂纹扩展问题中的应用、相关的耦合方法等进行了探讨.      

聚能药包在岩石定向断裂爆破中的应用研究

以爆炸动力学、岩石断裂力学理论为原理,对聚能药包用于岩石定向断裂爆破时导向裂缝的形成,裂纹的起裂、扩展和贯通进行了初步研究,同时对该方法的爆破参数进行了设计,并通过现场进行试验验证其正确性。结果表明由聚能射流形成的切缝有明显的定向作用,使爆生气体的能量沿预定方向集中,裂纹的定向断裂控制效果良好,表明该方法是一种比较理想的断裂控制爆破技术。最后指出了该方法目前需要进一步研究的方面。研究成果对相关理论研究和现场应用均有一定的指导意义。     

隧道爆破现场高速图像采集与精确控制爆破参数研究

受隧道内环境恶劣、相机防护等诸多因素制约,隧道现场爆破的高速图像采集与分析尚未实现,而这对精准控制爆破参数非常重要。以重庆某隧道为研究背景,在解决现场测试技术难题基础上,得到隧道爆破过程完整图像并同时获取爆破振动数据;据此分析了隧道爆破岩石破裂现象:炸药起爆15～18 ms后岩体移动,21 ms左右形成空洞并不断扩展后抛出;探讨了同对掏槽眼爆破协同作用时间与微差降振时间之间的矛盾,研究表明兼顾二者作用的起爆时差为8～50 ms;通过分析爆破裂隙扩展曲线特点并结合实测振动数据,确定起爆54 ms时形成第二临空面,较按过去方法确定的时间更精确,以此进行现场掏槽段位设计的降振效果良好;研究结果可为精准控制爆破提供参考。