单轴压缩剪应变局部化带分布的数值模拟及其对最大有效力矩准则的验证

基于应变软化理论, 模拟岩石加载应力时出现局部化韧性剪切带到发育褶劈理的过程, 从而验证最大有效力矩准则的有效性。根据相关试验规程和标准规定的试样形状、尺寸和应力加载速率, 采用FLAC^3D软件, 对岩石试样在单轴轴对称压缩条件下局部化剪切带的形成过程进行数值模拟, 应变软化后得到的共轭剪切应变集中带共轭夹角为107.7°, 论证了最大有效力矩准则的109°规律, 同时也合理解释了横切面的剪切应变等值线的随机性表现。     

岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟,研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为·模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响·岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式:平行剪切带,单一剪切带和共轭剪切带·在局部化剪切带出现时,材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的,而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用·岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应,而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因,非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性...     

岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA^2D)，通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟，研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为．模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响．岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式：平行剪切带，单一剪切带和共轭剪切带．在局部化剪切带出现时，材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的，而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用．岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应，而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因，非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性质．     

不同强度岩石的破坏过程及声发射数值模拟

采用FLAC模拟了初始内聚力及内摩擦角对具有随机材料缺陷单轴平面应变压缩岩样破坏过程及声发射的影响;采用编写的若干FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数目.密实的岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为;缺陷在破坏之后经历理想塑性行为.随着密实岩石强度参数的提高,从应力峰值到残余应力的应力降、轴向应变增量提高,贯通试样的剪切带出现滞后,试样内部最终发生破坏的单元数降低.对于密实岩石强度参数高的试样,缺陷全部发生破坏之后,密实岩石没有立即发生破坏;应力峰值被达到之后,破坏的单元数增长不大.在加载过程中,声发射数有显著增加的三个区段.区段1、2及区段3的绝大部分位于峰前.在区段3的峰前阶段,声发射数的增加源于缺陷的长大、聚结、传播和竞争.强度参数越高,区段3越长,区段3的峰值越低.这表明当密实岩石的强度参数较高时,密实岩石单元破坏相继发生,破坏过程持续得较长.     

南京粉土与粉质黏土的剪切带三轴试验与性状分析

利用全自动三轴仪,对南京地区典型的粉土、粉质黏土试样进行了固结不排水剪试验.研究具有剪切带性状试样的有效主应力比、孔隙水压力、偏应力随轴向应变的变化关系,简要分析了剪切带产生后的破坏形态、影响因素、应力一应变特性及软化特性.试验表明:具有剪切带性状的试样表现出单一型、"X"交叉型、单一局部型、两条平行型4种剪切破坏类型,同时偏应力、有效主应力比随应变变化的关系曲线具有明显的非线性,材料的剪胀性、结构的不均匀性是剪切带产生的基本条件.     

密实散粒体宏微观特性的直剪试验离散元数值分析

为了分析直剪试验中试样内部的应力、应变状态,采用离散元商业软件PFC2D在不同围压下对密实散粒体进行了大量的数值模拟,分析了试验的边界效应,应力偏转,应力、应变路径以及颗粒群的微观运动状态.模拟结果表明:边界摩擦影响室内直剪试验的测试结果,所得密实散粒体的强度指标偏高,内摩擦角存在1.5°的误差;剪切过程中,主应力大小和方向均发生变化,中心点主应力偏转约44°.由剪切带内外颗粒运动状态和应力、应变路径分析可知,剪切带内部是主要的剪胀区,存在大幅度的加卸载反应,并且应力路径峰值超出了试样峰值强度包线;剪切带外体变较小,主要处于加载状态,应力路径峰值未超出试样残余强度包线.     

单轴压缩条件下普通混凝土柱的峰后非线性尺寸效应

将单轴压缩条件下遭受到剪切带(峰值应力之后呈现线性应变软化行为)形式的单一剪切破坏普通混凝土试样的峰后应力-应变曲线斜率的解析解推广为非线性情形.在峰值应力之前,采用Scott模型描述非线性的本构关系.剪切带的非线性应变软化本构关系由导出的最短普通混凝土试样峰后斜率反算.利用得到的峰后本构关系,对其他较长的普通混凝土试样的应力-应变曲线进行了预测.预测的峰后应力-应变曲线依赖于试样的高度,且与实验结果吻合.估算的剪切带内部平均塑性剪切应变远大于在单轴压缩条件下测得的轴向应变的极限值.若测得的峰后应力-应变曲线被视为本构关系,则普通混凝土柱的峰后延性将被极大地低估.     

断层-围岩系统的形成过程及快速回跳数值模拟

采用FLAC模拟了断层-围岩系统的形成过程及位移的分布规律.计算中采用了莫尔-库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石本构关系为线性应变软化.两条断层带(或剪切带)汇交时系统形成,之后其承载能力下降.在断层带左侧,由于在系统承载能力降低的过程中,弹性应变的快速恢复,出现了快速回跳现象(系统失稳).在断层带之外,位移分布是均匀的.在断层带位置,存在较大的位移梯度.系统承载能力越低,位移梯度越大.远离加载端的区域先回跳,然后回跳区域逐渐扩大,向加载端传播,直到整个系统都回跳.上述过程持续的时间步数较少,说明了系统失稳的突发性.系统整体回跳发生于应变软化阶段.     

含裂隙软煤试样破坏过程中的变形局部化特征

为探究含裂隙软煤的局部化演化特征,将石膏与水以质量比7:3混合制成类软煤含裂隙试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法采集加载全程试样表面应变、位移信息,分析其变形位移和变形能密度演化特征。结果表明:不同倾角试样局部化带开始出现位置和扩展方向不同,倾角为0°时局部化带沿预制裂隙中央向试样上端和下端部扩展,60°时局部化带沿预制裂隙端部向试样对角方向扩展,随倾角增大,局部化带稳定时所对应的应力水平接近1。试样破坏由局部化带的张开和错动共同作用导致,局部化带张开与错动速率存在缓慢演化和加速演化阶段,应力峰值前后,局部化带之间扩展交汇引起速率加速演化。局部化带的能量演化经历累积(A)、累积与释放交替(A-R)、释放(R)3个阶段。在加载初始阶段,总体表现出A过程,加载至应力峰值前后,能量发生A-R波动式演化过程,加载至应力峰值后期,表现为R过程,A-R阶段随裂隙倾角增大发生相对后移现象。     

基于离散元弹性边界模拟的砂土剪切行为分析

采用二维离散元方法开展数值双轴试验研究砂土剪切力学行为。将室内试验中橡皮膜对砂土试样的柔性包裹效应抽象为作用在试样边界颗粒上的指定法向压力,对传统离散元数值双轴试验进行了改进。改进后的离散元双轴试验能有效模拟室内试验中砂土试样剪切破坏后的侧向不均匀变形现象,并以此开展参数研究,探明了围压、颗粒摩擦因数等参数对砂土剪切行为的影响规律,最后从细观角度得到了剪切带形成过程与相关机理。研究结果表明:砂土应变软化与剪缩现象均随围压的增加而增强,剪胀效应则随围压增加而减弱;砂土变形模量随围压增大而增大,但增幅不明显;砂土残余强度基本不受围压影响,但峰值强度受围压影响明显,砂土峰值强度和对应的轴应变均随颗粒摩擦因数增大而增大,围压和颗粒摩擦因数对试样峰值强度的贡献是有限的;剪切带两侧的砂土颗粒均沿相反方向平移,接触力链主要沿加载方向分布,表现出卸载特性;剪切带内部的砂土颗粒出现相互错动,同时绕自身形心转动角位移较大,接触力链相应发生水平向偏转,出现明显的应变局部化现象,应变局部化首先发生在试样中心,此后迅速贯穿整个试样,同时砂土试样到达峰值强度。剪切带内部砂土颗粒结构疏松,颗粒间接触减弱,颗粒配位数减小,土体孔隙率增大。     

高应力岩石局部化变形与隧道围岩灾变破坏过程

为了研究深埋隧道围岩变形局部化与渐进破坏现象,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,基于摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型,采用大变形的计算方法,研究了岩石试件在单轴压缩状态下局部化现象启动、发展直至试件最终破坏的全过程,进一步结合隧道物理模型试验,探讨了高应力条件下隧道围岩变形局部化与渐进破坏的关系,发现岩石材料表现出的软化性状与剪切带形成的结构软化有着密切的联系,从围岩屈服区和软化带的分布规律找到高地应力隧道围岩渐进破坏的突破口,并指出岩体单元的弹性变形和单元屈服后岩体的塑性挤出是隧道开挖后收敛变形的主要原因.     

压缩荷载作用下脆性岩石弹塑性损伤耦合本构模型研究

在压应力作用下,岩石的塑性变形和损伤演化是相互耦合的。在热动力学基本框架下,建立了一个用于描述在压缩荷载作用下脆性岩石非线性力学行为的弹塑性损伤耦合模型。模型采用基于Drucker-Prager线性屈服准则,并同时考虑损伤软化效应的函数作为加载函数。此外,为反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程,引入非关联的塑性流动方程。基于已有的损伤理论,建立含有塑性剪切应变的损伤准则。通过联立屈服准则和损伤准则的一致性条件,建立塑性和损伤发展的耦合关系。运用建立的模型对不同围压下大岗山辉绿岩的常规三轴压缩试验进行模拟。模拟结果和试验数据具有较好的一致性,表明了模型的合理性和有效性。     

煤岩截割破坏的变形局部化理论

应变强烈集中在剪切带内部的现象称之为应变局部化现象，应变局部化的位置就是破坏的位置，通过研究发现煤岩截割过程是典型的变形局部化过程，采用数值方法研究了煤岩局部化变形过程，采用白光数字散斑相关方法研究了煤岩截割过程，并采用MATLAB进行数据处理，得到每一加载步的最大剪应变图，发现了变形过程的局部化现象，进而提出了煤岩截割的变形局部化理论。     

南京地区粉土的不排水三轴压缩试验

通过全自动三轴仪进行了南京地区粉土的三轴不排水的试验,研究了围压和干密度对应力-应变曲线、孔隙水压力曲线和有效主应力比曲线的影响.试验表明:高围压状态下粉土试样呈现出弱应变软化型,而低围压状态下呈现出应变稳定型;低围压下试样在加载初期产生正孔隙水压力,随后产生负孔隙水压力,其后基本保持稳定;干密度越大,主应力差峰值越大,表现出较大的剪胀性,孔隙水压力易出现负孔隙水压力;干密度值较高时,土样处于密实状态,表现出剪胀特性,有效主应力比-应变曲线近于应变软化型;围压较低、干密度较大时,试样易表现出软化特征,试样出现剪切带破坏,强度明显下降.     

TA2钛合金绝热剪切带起始实验研究

本文利用分离式霍普金森压杆加载TA2钛合金扁平帽型试样,结合高速红外测温与金相观察,分析动态加载下帽型试样受迫剪切的力学响应以及绝热剪切带温度演化,并讨论绝热剪切失稳起始条件.结果显示,TA2钛合金绝热剪切带起始时的温度约为470 K.在该温度下,材料热软化不足以引起本构软化,因此热软化可能不是绝热剪切起始必要条件,相反可能是由于剪切局域化带产生导致带内温度的急剧上升.以温度达到470 K时刻作为绝热剪切带起始条件,得到随加载率增大,帽型试样绝热剪切起始时的压缩位移随加载率增大呈下降趋势.     

新世纪构造地质学与力学的新理论--最大有效力矩准则

最大有效力矩准则是构造地质学和力学领域中的一个新理论.最大力矩位于主压应力轴的土50°方向,控制强各向异性介质中褶劈理和塑性介质中韧性剪切带的形成.55±10°区间无显著力矩降,构成共轭膝褶带和伸展褶劈理形成的有利区间.该区间囊括现有天然和实验膝褶带和伸展褶劈理的全部数据,证明最大有效力矩准则的有效性.最大有效力矩准则对许多长期以来难以解释的天然变形构造给出了合理的理论解释:(1)褶劈理的形成;(2)大型低角正断层和高角逆冲断层的成因;(3)地震反射剖面中鳄鱼嘴构造提供一新的解释;(4)变质结晶基底的基本构造型式-菱网状韧性剪切带的形成;(5)可藉以确定主应力方向和相关的运动学涡度.在地质学研究中,广泛运用摩尔-库伦准则解释断裂构造,然而,该准则不能对自然界广泛存在的低角正断层、高角逆冲断层和各向异性或塑性介质中许多构造作出合理的解释.而最大有效力矩准则可给予合理的说明,它的提出是对构造地质学和力学基础理论的重要补充.     

损伤剪切带的稳定状态与路径—大变形非局部化分析

基于非线性几何场论，探讨了有限变形稳定分析中二阶变分的重要性，考虑了Ｍｏｂｒ－Ｃｏｕ。ｏｍｂ退化屈服限及正交流动法则，假定屈服限取决于非局部塑性变以模拟应变软化，弹性量仍由经典局部场确定，计算了砼材料剪切带演化导致的不同破坏型式。结果表明，计算模型对单元网格数具有不敏感性、正确加载路矩和Ｈｉｌｌ的性二阶能量准则相一致。     

随机分布贯穿裂隙岩体峰后应力-应变关系模型

基于峰后软化阶段强度参数逐渐演化这一行为,采用Mohr-Coulomb强度准则,分别以岩石的最大主应变和裂隙的切向位移作为软化参数,假设强度参数为软化参数分段线性函数的条件下,给出岩石的峰后应力-应变关系和裂隙的峰后应力-切向位移关系的求法,在此基础上,利用概率方法给出了随机分布贯穿裂隙岩体峰后应力-应变关系式的求法.最后结合算例讨论裂隙的平均间距、法向刚度和切向刚度对峰后应力-应变曲线的影响.研究结果表明:裂隙的平均间距、法向刚度和剪切刚度越小,裂隙岩体的应变越大.     

考虑刚度劣化影响的岩石峰后应变软化模型

为反映刚度劣化对峰后力学行为的影响,提出描述刚度劣化程度的新参数,即刚度劣化指数.将峰后黏聚力和峰后内摩擦角假设成塑性剪切应变的函数,基于广义莫尔库仑准则,建立岩石峰后应变软化模型.利用北山花岗岩试验数据对模型进行验证.结果表明:模拟结果与试验数据规律吻合度较高,建立的峰后应变软化模型较为合理,为岩石峰后软化过程的模拟提供新的方法.     

最大有效力矩准则的理论与实践

共轭断裂面对σ₁一侧为锐角(一般小于60°),而共轭变形带面对σ₁一侧为钝角(一般为110°)。锐角可用力学的摩尔-库仑准则解释,钝角则可用最近提出的最大有效力矩准则予以说明。最大有效力矩准则的数学表达式为M_eff=0.5(σ₁-σ₃)Lsin2αsinα。式中, σ₁-σ₃ 代表变形岩石的屈服强度, L为单位长度, σ为σ₁与变形带间的角度。该准则证明最大有效力矩出现在σ₁轴左右54.7°方向。55°±10°区间力矩无显著变化,天然和实验的观测值全部在该区间内。该准则在实践中可解释膝褶带、伸展褶劈理、膏盐层中的屈服带、低角正断层、高角逆断层、结晶基底中的菱网状剪切带、地震反射剖面中的鳄鱼嘴构造和前陆盆地中的拆离褶皱等地质构造的形成,可藉以确定有关构造形成时的应力状态和运动学涡度,并说明推覆构造与伸展构造间的运动学和动力学关系以及深俯冲超高压岩石的折返-出露机制。