基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下,脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性,对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而,对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系,提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系,是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出;应变率与动态断裂韧度关系,是根据推出的裂纹速率及应变率关系,与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε0和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

微波照射下脆性岩石裂纹扩展临界条件及断裂过程研究

基于热力学定律及Griffith断裂理论,建立了包含初始裂纹的脆性岩石理论模型研究微波破岩过程,推导了微波照射下均匀脆性岩石内部初始微裂纹的临界扩展条件。得到微波照射参数与裂纹扩展半径的关系呈V形曲线,且V形曲线上方为裂纹非稳定区域,下方为裂纹稳定区域。将V形曲线左半部分对应的裂纹定义为"初始短裂纹",断裂开始后,裂纹发生动态扩展,此时裂纹扩展行为不能由V形曲线完全描述,动态扩展的最终半径由能量守恒定律推导得到;当输入微波能量达到新的临界值之后,"初始短裂纹"则继续沿V形曲线发生准静态扩展。将V形曲线右半部分对应的裂纹半径定义为"初始长裂纹",对于初始长裂纹,输入的微波能量达到临界值之后,裂纹始终沿V形曲线以准静态方式扩展。根据裂纹扩展行为可以预测微波照射下岩石强度折减规律,其结果与已有实验结果吻合较好,对于指导微波辅助机械破岩工程实践具有重要意义。     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

基于Voronoi模型的脆性岩石微观结构数值模拟

基于离散元软件UDEC中的Voronoi模型,构建了致密岩石的标准压缩数值试件;应用FISH语言编译相关程序,监测不同脆性致密岩石的裂纹数量和密度在压缩过程中的变化特征.研究发现,随着岩石脆性指数的增加,岩石的起裂应力逐渐增加,而起裂点裂纹密度逐渐减小,高脆性岩石则是在较高的应力状态和较低的裂纹损伤状态下达到裂纹起裂点...     

考虑软硬物质双变形特征的脆性岩石损伤本构模型研究

基于脆性岩石变形力学特征,将脆性岩石视为由岩石颗粒骨架等硬物质以及裂隙和孔隙等软物质组成;考虑软硬物质变形特点,分别建立了软物质与硬物质的本构关系以及软硬物质与RVE之间的关系。然后,基于几何损伤理论,建立了考虑软硬物质双变形特征的脆性岩石变形破坏模拟方法,根据软硬物质及其与脆性岩石宏观变形关系以及峰值点法,分别提出了力学参数和统计参数的合理确定方法。最后,通过实例分析对本文模型和方法进行验证,结果表明本文模型能够对脆性岩石变形破坏过程进行模拟,脆性岩石宏观变形被视为由软物质变形和硬物质变形两部分组成具有可行性与合理性。     

深埋隧洞岩爆时间滞后性机理研究

深埋隧洞内岩爆生成的时间滞后性与硬脆性围岩的蠕变力学特性密切相关,通过结合理论模型(包含深埋隧洞弹塑性模型及岩石脆性蠕变失效模型)与数值模拟对岩爆的时间滞后性机理及其规律进行了分析讨论.结果表明:深埋隧洞在开挖卸荷后围岩内部因微缺陷的萌生及演化引起损伤累积,在无及时支护条件下短时期内易引发时滞性岩爆;围岩在塑性区内更易...     

考虑岩石微元强度呈对数正态分布的冻融岩石损伤特性

冻融环境下准脆性岩石损伤力学特性对寒区工程建设有重要影响。由于准脆性岩石存在特征长度,其尺度效应不再符合Weibull尺度效应统计理论。本文以准脆性岩石为研究对象,考虑准脆性岩石微单元强度服从对数正态分布的条件下,依据D-P破坏准则,运用损伤力学理论建立了围压作用下冻融准脆性岩石的损伤本构模型,对冻融准脆性岩石损伤力学特性进行了探讨。研究表明,（1）采用对数正态分布建立的冻融准脆性岩石损伤力学本构模型与试验结果一致,该模型反映出冻融环境下准脆性岩石总损伤沿应变、围压和冻融循环路径相互作用,能够揭示出准脆性岩石损伤演化的本质特征。（2）冻融与围压共同作用下,准脆性岩石应力-应变变化关系可划分为线弹性阶段、非线性强化阶段、应力减弱阶段以及应变衰退阶段。（3）当准脆性岩石所受围压一定时,冻融次数是使准脆性岩石冻融受荷总损伤增大的关键因素。冻融循环次数对准脆性岩石的损伤劣化起促进作用;当准脆性岩石所受冻融循环次数不变时,冻融受荷总损伤随围压增大而减小,即围压对准脆性岩石力学性能劣化起抑制作用。相关研究成果对寒区岩体工程安全稳定性评价有一定的理论参考价值。     

脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。