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...     

岩石单轴压缩应变梯度损伤模型局部化带宽

采用基于各向同性应变梯度损伤模型，在平衡方程中引入高阶应力项和损伤内变量，对单轴压缩作用下岩石变形局部化进行了研究，得到了单轴压缩作用下岩石变形局部化带宽度的一维解析解，给出了岩石试件局部化带的宽度公式，对岩石变形局部化带宽度与损伤内变量的关系进行了分析，为实验测定内部材料长度参数提供了理论依据。岩石试件局部化带的宽度不仅与材料的内部长度参数有关，而且还与损伤内变量（材料的脆塑性）有关。对于塑性材料，局部化带宽度就大；对于脆性材料，局部化带宽度就小。     

岩石类材料损伤局部化分叉

为获得弹塑性变形时破坏失稳的损伤效应,假定岩石类材料各向同性损伤,将损伤变量与加卸载函数引入不连续分叉方法,考虑损伤时的刚度退化和体积扩容,推导出材料损伤失稳时的最大硬化模量和局部化方向角及其与损伤程度和初始泊松比的关系,在平面应力与应变条件下对单轴拉伸压缩试件的分叉失稳进行对比分析.结果表明:局部化方向角与最大硬化模量依赖于材料的初始泊松比与损伤程度;平面应力或应变时,拉伸与压缩得到的局部化方位角之和为90°,最大硬化模量可分为平面应力与应变条件两种,与单轴拉伸或压缩条件无关.     

基于Weibull分布的岩石损伤本构模型研究

利用连续损伤理论和统计强度理论,提出了模拟岩石破裂全过程的损伤本构关系,并在此基础上建立了完整的损伤统计本构模型,且在所建立的损伤统计本构模型的四个基本方程中,引入岩石应力应变全过程曲线特征参量,并考虑岩石应力应变全过程曲线的几何条件,解决了传统方法求解本构方程中参数的难点,同时提高了精度.通过与砂岩试件三轴压缩试验实测结果对比,证明模型可以很好地反映岩石的应力-应变关系.图2,参7.     

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。     

岩石的损伤软化对应力波传播的影响

针对不含水干岩弹塑性变形的基本特征，考虑岩石的剪胀效应和软化效应，并根据岩石不同变形阶段的特点，给出了不同的屈服面形式和损伤演化方程，建立了岩石的弹塑性连续损伤本构模型．在此基础上研究了一维应变波在岩石介质中的传播规律，揭示了应力波在岩石类脆性损伤软化材料的传播过程中，损伤软化使得材料分为损伤演化区和完全破坏区，应力平台在两区交界面处产生凹陷．这一不稳定的凹陷在传播过程中逐渐消失，因而应力波传播在损伤的作用下经历了一个从不稳定到稳定的演化过程．     

岩石材料的剪切破坏特征

基于局部化剪切带不连续分叉理论，分析了轴对称压缩状态下岩石材料的剪切破坏特征。分析结果认为，岩石材料在压缩状态下的脆性破坏总是剪切破坏的，单轴压缩状态下的张破坏是剪切破坏的一种极限情形。剪切破坏的破裂角与岩石的应力状态有关，即随着围压的增加，其剪切带与试样径向的夹角逐步降低，但最终可能趋于一个常数。     

单轴压缩下岩石材料体积效应的数值模拟

为了探讨体积对岩石材料强度和变形及其破坏形式的影响规律，从岩石材料的非均质性出发，应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D对同长径比不同体积的岩石进行了单轴压缩下的数值模拟研究，模拟结果表明随着体积的增大，岩石的强度呈衰减趋势，但在体积增大某个值以后时，岩石强度便基本趋于稳定，模拟结果和实验结果相吻合。对一组不同均质度系数下岩石材料体积效应的数值模拟结果表明，岩石强度的体积效应根源于材料的非均质性。     

片状岩石全应力应变压缩过程及力学机制试验研究

为了解片状岩石的全应力应变压缩过程及力学机制,利用RMT-150C岩石力学刚性伺服试验系统,对绿泥石片岩和云母石英片岩进行压缩力学试验.基于试验结果,得到岩石全应力应变压缩过程,提出峰前压密、线弹性、微裂隙稳态扩展和微裂隙不稳态扩展4个变形阶段以及峰后应变软化、残余应力稳定两个变形阶段,分析岩石在各阶段的强度变形特性以及体应变、横向应变和轴向应变之间的关系;详细探讨压缩条件下水对试样物理力学性质的影响规律,重点对比峰值强度、弹性(变形)模量等指标的敏感程度和围压效应;并揭示片状岩石在压缩状态下的破裂模式,将整个破坏过程分为单一剪切破裂、鼓状破裂、Y字形破裂及平行劈裂4种形式.     

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FLAC3D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。     

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。     

声弹性测试法在非局部损伤本构方程中的应用

用声弹性测试法得到了以材料参数和波速表示的损伤参量，将该参量非局部化后代入非局部损伤本构方程中得到了非局部应力－应变关系曲线，与宏观结果比较，有较好的一致性，证明该方法是行之有效的。     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

岩石空隙变化及其变形全过程的统计损伤模拟方法

针对因空隙(包括初始和次生空隙)变化引起岩石变形呈现高度非线性的特征,首先将岩石视为由颗粒骨架和空隙两部分组成,并采用宏观与微观分析相结合的方法,建立岩石应力与应变分别在宏观与微观方面的关系,从而揭示空隙岩石变形力学机理,为模拟岩石变形全过程奠定了基础;然后,在此研究基础上依据Lemaitre应变等价性原理,建立考虑空隙变化影响的新型岩石损伤模型,引入统计损伤理论进而建立能够模拟岩石变形全过程的统计损伤本构模型并给出了参数确定方法.该模型不仅能反映岩石的应变软化特性,而且还能反映因空隙压缩引起的岩石变形的非线性特征;最后,通过实例分析,将本文及同类模型的理论曲线与实测曲线进行对比分析,表明了本文模型与方法的合理性与优越性.     

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.     

不同围压下岩石材料强度尺寸效应的数值模拟

应用岩石破裂过程分析系统,对不同围压下不同尺寸岩石材料进行了数值模拟试验．研究了围压与岩石材料强度尺寸效应之间的关系．结果表明,围压越大,岩石材料强度尺寸效应越不明显,即围压能够降低尺寸对岩石强度的敏感程度．岩石材料的非均质性不是一个静态变量,而是一个动态参数,与岩石材料内部裂纹的损伤演化密切相关．低围压时,岩石试件内材料并未趋于均匀化,非均质性显著,强度尺寸效应明显;而高围压时,岩石试件内材料由低到高逐渐屈服破坏,材料趋于均匀化,均质性较好,因而强度尺寸效应不明显．     

内生晶体非晶合金复合材料变形场演化与剪切带行为

通过数字图像相关方法从实验上观察到内生晶体复合材料在微米尺度应变场的演化与剪切带行为,并结合有限元,模拟了非晶合金复合材料的变形,给出了应力应变场的分布,分析了两相在变形中的作用.实验与有限元结果表明,在宏观弹性段内,晶体相会优先发生塑性变形,而后在界面形成应变集中,逐渐向周围扩展;随着加载的进行,材料内部形成变形局部化剪切带.非晶合金复合材料的塑性变形主要由剪切带贡献,而晶体相的存在促进了多重剪切带的形成;复合材料的载荷则主要由连续的非晶基体相承担,剪切带形成伴随自由体积的快速增加,导致非晶基体流动应力下降,复合材料承载能力降低.     

单裂隙岩石损伤断裂过程的试验研究

为了掌握单轴压应力作用下含单一初始损伤试什的变形特征与损伤特性,采用室内岩石压力系统和声发射监测试验,研究了单裂隙岩石损伤断裂过程.通过采用应力--应变曲线和声发射数共同识别类岩石材料损伤断裂特性的方法,可容易地观察到裂隙岩石的初始损伤、损伤演化和宏观裂纹的发展过程,给出了损伤演化闽值和全应力--应变曲线的损伤解释,针对试验曲线所表现出的损伤特性进行了损伤描述,为建立相应的裂隙岩体损伤本构方程和演化方程打下试验基础.     

单轴受拉状态下混凝土非局部化细观损伤模型

以非局部化理论和随机损伤力学为基础,从细观机制出发考虑断裂和塑性滑移的影响,提出了非局部细观损伤模型.利用残余应力系数反映塑性滑移对损伤细观机制的影响;利用非局部化比例解决层数敏感性问题.结合细观和宏观两个尺度进行损伤本构模型建模,描述混凝土内部的应变发展、损伤演化以及沿受力方向任一高度处的应力-应变关系.基于非局部化比例分析得出的应力-应变关系与实验结果符合较好.     

基于Mogi-Coulomb统计损伤本构模型及渗透性突变的研究

摘要：在基于Lemaitre应变等价性理论和岩石微元强度服从 Weibull 随机分布的基础上,引进Mogi-Coulomb准则作为岩石微元强度的表示方法,并深入研究岩石压缩破坏过程中损伤变量的变化规律,建立了统计损伤本构模型,该模型可以较好的反映岩石在不同围压下压缩破坏对应的损伤阀值。通过岩石三轴应力–应变试验曲线对模型进行验证,并与基于Drucker-Prager和Mohr-Coulomb准则的损伤模型的模拟曲线相比较,表明基于Mogi-Coulomb准则的损伤模型能较好的模拟岩石应力应变关系,特别反映了不同应力状态对损伤阀值的影响及岩石低应力水平的线弹性特性。最后将考虑损伤阀值且基于Mogi-Coulomb准则建立的损伤统计本构模型应用于岩石渗透性突变点和对应的临界破坏强度的研究,本模型的预测值与试验值较吻合,表明该模型的合理性和可行性,具有良好的应用前景。