基于数字图像处理的岩石细观破裂力学分析

将数字图像处理技术引入到岩石破裂过程分析RFPA2D(Rock Failure Process Analysis)系统,建立了岩石细观结构破坏过程分析方法．首先提取岩石的细观结构图像,再转化成RFPA2D的前处理数据和数值分析网格,然后进行应力求解和破坏分析．以花岗岩细观结构为例,阐述了运用基于数字图像处理技术的RFPA2D方法进行岩石细观结构破坏分析的过程．结果表明,在岩石破裂过程数值模拟分析中引入数字图像处理技术是岩石细观结构破坏力学行为研究的一种方便而有效的方法．     

爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟

运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamic,就爆炸荷载的加载速率、炮孔到自由边界的距离以及两炮孔中间空孔的大小对动态裂纹扩展方式的影响进行了研究。结果表明:随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减少;裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移;萌生的分支小裂纹逐渐减少,主裂纹扩展长度逐渐增大。由于自由边界的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边界的距离越小,这种趋势越明显。由于空孔的导向作用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹;空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响;材料的非均匀性,对裂纹的扩展方式有显著的影响。     

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

动荷载下岩石裂纹动态扩展行为实验研究综述

岩石的动态裂纹扩展特性在岩石力学和岩石工程研究中具有重要意义。动荷载下岩石中裂纹的扩展行为是瞬间发生的,这对实验中测试和加载技术具有很大的挑战性。为综述动荷载下岩石材料裂纹扩展研究取得的丰硕成果,总结了岩石动态裂纹扩展测试技术、实验设备和实验方法等方面的最新进展。首先,讨论了动态岩石裂纹扩展测试的各种测量技术（X射线计算机断层扫描技术、焦散线法、数字图像相关法、裂纹扩展计、导电碳膜测试方法、声发射）;然后,以应变率为主线,从低到高依次总结了中低应变率、高应变率和超高应变率下岩石内裂纹动态扩展行为研究,系统讨论了落锤冲击装置、霍普金森压杆、爆炸实验中对裂纹扩展测试的实验方法和动态裂纹扩展特性,总结了不同应变率条件下岩石裂纹的起裂、扩展、止裂及动态断裂韧度等的演变规律。     

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。     

动态延性损伤的细观力学研究现状

本文从细观理论、率相关弹塑性本构、层裂实验及数值模拟等几个方面综述、评价了延性动态损伤的细观力学研究现状,结合以上工作,指出了今后材料动态延性损伤、断裂的细观力学研究应进一步开展工作的７个研究方向。     

爆炸载荷下板条边界斜裂纹的动态扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界斜裂纹的动态扩展行为,首先分析了爆炸应力波在含边界斜裂纹板条中的传播,其次采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界斜裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界斜裂纹的扩展过程中,裂纹扩展速度、扩展加速度和裂尖动态应力强度因子随时间波动变化,扩展速度最大值...     

单轴压缩下透明类岩石损伤演化特征研究

为研究岩石变形破坏模式及内部裂纹扩展过程,采用环氧树脂、固化剂、熔融石英砂与玻璃砂制备非均质、各向异性的新型透明类岩石,通过室内单轴压缩试验及颗粒流(PFC2D)数值模拟,分析了其破坏模式及裂纹演化过程。室内试验中,透明类岩石峰值强度在砂岩强度范围内的破坏模式与砂岩相似,呈现劈裂剪切混合破坏,裂纹发育大多以层理面为起始点;对比PFC2D数值模拟与室内试验,两者应力-应变曲线相似,最终破坏模式及过程基本一致;将透明类岩石的PFC2D裂纹累积演化曲线划分为无损伤、初始损伤、损伤发展、损伤加速发展、损伤破坏阶段,并确定了其损伤门槛值。本文试验结果,可为直接观察岩石内部裂纹扩展提供参考。     

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.      

水-岩作用对岩石抗压强度效应及形貌指标的实验研究

通过测定金川岩样的含水率以及水对岩石抗压强度,采用精度高达0.5μm的Talysurf CLI2000三维表面激光形貌仪,对经过矿井深部地下水作用前后的四种不同岩性的岩石试件进行形貌扫描,结合八个形貌参数作出定量分析对比。实验表明:矿岩遇水软化,岩石抗压强度降低,破坏时不属于脆性破坏,其原因可能就在于由于其中的粘土矿物吸水,当受力压缩时,水受压排出产生压密现象。水-岩作用后岩石表面形貌高度的离散性、粗糙程度变大,高度的分布概率更为集中,由负偏态变为正偏态且高度分布的对称性好于作用前。峰点算术平均曲度Ssc都有规律地降至0.62附近,更具协调性。     

无烟煤单轴冲击动态强度理论

根据无烟煤破坏以拉应力破坏、张应变破坏和卸载破坏等组合形式为主、压剪破坏出现的几率很 小的特征,提出了无烟煤的压缩膨胀拉伸破坏模型,并在能量平衡原理和断裂理论的基础上,推导了该模型的 动态强度理论计算关系式,确定了动力学参数之间的定量关系。利用导出的强度公式,对无烟煤的抗压强度 进行了计算,计算结果与已有的实验结果较好吻合。这表明,该公式能够用来预测无烟煤在单轴冲击载荷作 用下的极值强度,揭示无烟煤这种多孔隙介质在冲击载荷作用下的破坏机理。     

强角闪石化橄榄二辉岩的动态拉伸强度实验研究

对强角闪石化橄榄二辉岩的动态拉伸断裂强度进行了实验研究。设计了能在样品中产生持续时间大约为1.5 s拉伸应力脉冲的平板冲击回收实验。通过对回收样品的宏观和微观观察,确定了样品出现拉伸破坏开始阶段以及破坏裂纹的扩展阶段,进而确定了该岩石样品的动态拉伸强度约为265.6~315.3 MPa。同时,基于线弹性近似,导出了在一维应变条件下样品内拉伸应力和作用时间的估算公式。     

动静荷载对邻近巷道裂纹缺陷扰动的模拟实验

为了探究动静组合应力场作用下邻近巷道背爆侧裂纹缺陷的扩展规律,采用动静加载透射式动态焦散线方法进行了模拟实验,并结合裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率进行了分析。实验结果表明:在动静荷载作用下,邻近巷道背爆侧裂纹缺陷处也成为巷道主要扰动区,且爆炸荷载对背爆侧预制裂纹的起裂起主导作用;p=0.2 MPa时的相同动静组合应力场中,背爆侧预制裂纹的扩展位移差异与裂纹的倾角有关,当θ=75°时,爆炸应力波无法驱动裂纹起裂;在相同爆炸荷载作用下,θ=30°时,较小竖向荷载对裂纹的扩展具有抑制作用,且抑制作用随所施加的竖向荷载增加而增大,当p=0.4 MPa时,裂纹无法起裂;裂纹最终扩展位移,与裂纹尖端动态应力强度因子在极大值上下振荡变化的持续时间,或在裂纹扩展阶段能量释放率积累量,呈正相关。     

动载作用下复合型裂纹扩展的近场动力学模拟

构建改进的非局部近场动力学模型和粒子系统动力加载算法,开展复合型裂纹动力扩展过程模拟。在常规近场动力学微极模型中引入能反映非局部长程力尺寸效应的核函数修正项,以提高计算精度和收敛稳定性。通过模拟动载作用下含复合型裂纹混凝土三点弯梁的裂纹扩展与破坏过程并与试验结果对比,验证了本文模型和算法的可靠性。在此基础上,通过分组模拟分析了动载作用下,初始裂纹的位置、长度和方向对含复合型裂纹三点弯梁破坏模式、起裂时间与承载能力的影响规律。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法CDEM（Continuum Discontinuum Element Method）,探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

节理岩体的爆破松动机理

利用应力波理论对节理岩体的爆破松动机理进行了探讨,同时利用动力有限元数值模拟方法验证了理论分析结果。研究表明,爆破荷载的加载阶段对岩体的挤压蓄能和快速卸载阶段的弹性回复是岩体产生后续松动位移的根本原因;节理岩体的爆破松动在开挖面的法向表现为岩体的剪切错动,在平行于开挖面方向表现为结构面的张开;拉格朗日坐标下的动力有限元数值方法,如ANSYS/LS-DYNA程序,能够较好地用来模拟节理岩体的爆破松动过程。     

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。

     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。