岩石爆破分形损伤模型研究

在Ｋｕｓ和Ｔｈｏｒｎｅ等人研究基础上,利用分形理论及应用成果提出了一种新的岩石爆破损伤模型。新模型将岩体中各种结构弱面视为初始损伤,并将其分形维数作为岩石性质的主要参量,用损伤能量耗散率及与分形维数的关系表征爆破过程中的岩石损伤演化规律,从而弥补了现有模型未考虑初始损伤影响和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。还通过模拟试验等手段验证了新模型的如上观点。     

冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

含初始损伤岩石的冻融损伤试验研究

在实际工程中,岩石大多是含初始损伤的,分析含初始损伤岩石的力学性能有重要的工程意义.预先统计岩石试块的初始抗压强度,然后根据其抗压强度给岩石试块施加压力.分别施加了极限抗压强度的10%、30%、50%、70%、80%、90%,以形成不同的初始损伤.然后通过低温冻融实验和单轴压缩实验,将岩石在传统循环荷载作用后的损伤与低温冻融损伤进行比较,得出这两种损伤的异同点,建立了岩石材料在不同环境条件下的损伤表达式,研究了初始损伤对岩石冻融的影响,对今后估测含初始损伤岩石的冻融寿命有一定参考价值.     

考虑裂纹闭合效应的岩石损伤本构关系

岩石中的预存裂纹只有在一定的法向压应力即裂纹闭合应力的作用下才可能闭合，其闭合过程与其方位和外加应力场有关，并且，即使对于裂纹已经完全闭合的岩石，如果裂纹闭合应力不同，则岩石的应力应交关系也不相同。本文建立了考虑裂纹闭合效应的岩石细观损伤力学模型，分析了裂纹闭合应力对岩石损伤演化过程和应力应变关系的影响。数值结果表明裂纹闭合应力显著地改变岩石的应力应变关系，表现为随裂纹闭合应力的增加，岩石的轴向应变变化较小，侧向应变和体积应变则大为增加。     

关于岩石的本构关系

本文综述了近10年中有关岩石本构关系方面的主要研究成果,包括:岩石的强度理论;损伤理论;塑性理论及分布断裂力学理论。     

单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化机理的CT试验研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文在对混凝土进行单轴压缩试验的基础上,根据CT扫描图像反映的细观破损过程,分析了基于CT数平均值变化规律的特点;将混凝土材料的损伤过程进行了分段,提出了损伤变量的提取方法.随后结合试验得到的宏观应力应变曲线,经过拟合得到...     

冻融环境下混凝土损伤劣化机制的力学试验研究

通过对自然状态以及饱水状态下的混凝土试样分别进行冻融循环试验,并在不同冻融循环次数后对混凝土试样进行单轴压缩强度测定,研究了材料弹性模量、抗压强度、应力应变关系等力学特性的变化规律,以此分析了在冻融环境下混凝土材料的损伤劣化机制。结果表明:混凝土冻融损伤劣化模式具有多样性,随着冻融循环次数的增加,混凝土试样逐渐呈现出颗粒脱落、微裂纹萌生扩展、剥蚀和块落等多种形式相结合的损伤劣化模式;而试样弹性模量及强度明显减小,且强度受水影响非常显著。该研究从试验角度解释了在冻融环境下混凝土力学性能的变化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测、防治提供了较可靠的试验与理论依据。     

三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测

利用作者最新研制的与CT(computerized tomography)机配套的专用加载设备,完成了三轴压缩荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT检测试验.得到了在不同荷载作用下岩石中微孔洞被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像.对得到的CT数、CT图像等数据进行了分析,引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,定义了一个基于CT数的新的损伤变量,基于岩石细观损伤演化CT试验的结果,给出了岩石应力损伤门槛值,将岩石应力应变全过程曲线分为5段,得到了岩石损伤扩展的初步规律.     

一种新的岩石非线性损伤蠕变模型

为描述岩石加速蠕变阶段的非线性变形规律,在广义开尔文体基础上串联一个村山体,基于Kachanov损伤率理论,建立了损伤变量D与蠕变时间的函数关系,并根据Lemaitre应变等效原理将村山体中的无损模型参数p用有效模型参数p(1-D)代替,以此来表征岩石加速蠕变阶段的非线性,建立了一种新的非线性损伤蠕变模型;根据广义塑性力学理论给出了该模型的三维蠕变方程;采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对红砂岩和绿片岩常规三轴压缩蠕变试验数据进行拟合,反演得到这两种岩石的蠕变模型参数。拟合结果表明:拟合曲线与试验曲线的拟合相关系数R2分别为0.999和0.992,说明该蠕变模型能较好地反映这两种岩石各阶段的蠕变曲线特征。     

混凝土冻融损伤本构模型研究

基于各向同性连续损伤力学理论,以损伤条件下的弹性模量和泊松比为变量,基于Ottosen理论模型建立了混凝土冻融损伤破坏准则,并以Ottosen本构理论模型为基础,利用建立的冻融损伤破坏准则构建了混凝土冻融损伤本构模型,并编制了本构模型有限元程序,经过试验验证模型计算结果较为准确,为有限元计算和冻融作用后混凝土结构模拟应...     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

树脂基复合材料粘弹性损伤本构及其实验测定

粘弹性是复合材料最重要的力学性能之一。基于Ｂｏｌｔｓｍａｎ迭加原理和Ｓｃｈａｐｅｒｙ非线性粘弹性理论，本文提出了一变量分离式粘弹性本构关系，且由Ｋａｃｈａｎｏｖ“连续性”概念，将损伤变量引入本构关系式中，按不同的加载速度和加载方向对正交玻璃布－环氧材料进行了加、卸载实验研究。根据Ｌｅｍａｉｔｒｅ和Ｃｈａｂｏｃｈｅ由宏观弹性常数变化确定损伤量的方法，测得材料的损伤并用一二次函数表示。通过对实验数据的一系列处理方法，确定了材料常数，验证了本文理论的有效性。实验表明，当纤维做为主要承力者时，无粘性产生，材料的损伤和总应变相关而与应变率无关，并得到强度值随应变率增加而升高，极限应变不随应变率变化的结论。     

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．     

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.     

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.     

基于Burgers模型考虑损伤的岩石蠕变全过程研究

岩石蠕变是一个显著的非线性问题，而经典的Burgers 模型是一种线性蠕变模型，必然不能全面地描述岩石蠕变的全过程．当岩石处于高应力水平下的加速蠕变阶段，岩石内部损伤会不断产生和累积，蠕变呈现出明显的非线性特征．为了更好地描述考虑损伤的岩石蠕变全过程，本文假定加速蠕变阶段的损伤演化方程，将损伤引入到Burgers 模型中，提出了一种非线性蠕变损伤模型．然后以乔后盐矿试件蠕变实测数据为分析案例，验证模型在应用于实际工程时的准确性和适用性．最后根据Origin 软件数值拟合的结果，表明本文所提出的非线性蠕变损伤模型能很好地描述岩石蠕变全过程，模型参数取值也在合理范围之内，模型拟合曲线与实验所得数据具有较好的一致性．     

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.     

编织复合材料的冲击损伤与断裂行为研究

本文利用冲击加载实验装置对含V型裂纹碳纤维编织复合材料梁的冲击损伤与断裂行为进行了实验研究,记录了冲击载荷的时间历程,梁的动态位移变化以及裂纹尖端损伤的动态应变演化历史,确定了裂纹尖端的应变能密度分布。并利用扫描电镜对其断裂表面进行了微观分析。     

研究材料动态本构特性中的重要作用

在材料动态本构关系的研究中，不论是由波传播信息反求材料本构关系，即所谓解第二类反问题，还是利用应力波效应和应变率效应解耦的方法（如SHPB技术），应力波传播实际上都起着关键作用。在一般性讨论的基础上，就SHPB试验技术分析了应力波传播如何影响材料动态本构特性的有效确定。对于应力/应变沿试件长度均匀分布假定以及一维应力波假定，着重进行了分析。