岩石损伤本构模型及稳定性分析中的应用

从损伤力学出发,考虑Mohr-Coulomb准则的损伤门槛以及Hoek-Brown强度准则的残余应力,基于岩石强度的Weibull分布假设,提出一种新的岩石损伤本构模型。结果表明此岩石损伤模型能较好地反映岩石应力-应变全曲线;通过损伤模型对岩体强度与变形规律的分析,计算出CDP模型参数,用ABAQUS进行数值模拟。从能量的角度研究结构的破坏过程,用最大弹性变形能来判别结构破坏。结果认为岩体的强度破坏实质上是稳定性问题,属于极值点失稳;并结合塑性区贯通验证合理性,对于研究岩石、混凝土损伤及稳定性有一定的参考价值。     

复合岩石的破坏准则

本文在假设各组分岩石遵循Mohr-Coulomb强度理论的基础上建立了复合岩石的破坏准则。所用“复合等效方法”使复合岩石的破坏准则由各组分岩石的强度参数(C_,φ_i)和几何参数(λ_i)确定,并由此论述了由复合岩石实验结果确定各组分岩石强度参数的方法。三轴实验结果表明该准则对描述复合岩石的强度特性具有相当高的精度,为成层岩体中的岩石工程计算提供了更加精确的方法。     

基于最大拉应变理论的岩石损伤机理

以岩石内部微元体为研究对象,研究了在宏观应力作用下微元体的应力分布特点.将微元体应力的分布按正态分布考虑,结合最大拉应变强度准则,提出岩石微元体破坏的控制条件是最大拉应变.据此建立了微元体的三种破坏方式,研究了不同破坏方式对岩石承载能力的影响,推导出各破坏方式发生的条件及概率,并将微元体的三种破坏与三个方向的损伤因子联系起来,实现了细观与宏观的结合.在此基础上,建立了考虑各向损伤异性的岩石损伤本构模型,推导了参数的求解方法.最后对该模型的合理性进行了验证,发现利用该模型能够很好地解释不同应力条件下岩石的破坏方式以及围压对岩石峰值强度和残余强度的影响规律.     

节理岩体的随机剪切破环

提出的节理岩体剪切强度准则,考虑了节理面、岩桥提供的强度分量和相邻节理面形成的起伏角提供的强度分量。讨论了节理面和节理岩体发生剪切破坏时某些关键应力状态必须满足的物理约束条件。此外,强度准则中的参数可以是随机变量,所以可以用于随机模型中的破坏概率分析和工程的风险分析。     

不同侧压系数下各向异性巷道围岩破坏模式研究

针对各向异性初始应力状态(不同的侧压力系数下)的岩体巷道开挖问题,利用复合材料的Hoffman强度准则考察各向异性对巷道周围应力、位移和塑性破坏区的影响.结果表明:巷道围岩的最大主应力与侧压系数无关,当θ=30°~60°时为最大,θ=0°,90°时为最小.随θ的增加,巷道围岩的水平位移增加,垂直位移减小.在各向异性岩体中强度较大的方向与最大应力方向一致时,破坏发生在此方向,塑性破坏区的范围为最大.     

岩石强度准则理论的探讨

岩石的应力、应变增长到一定程度,岩石就要发生破坏。用以表征岩石破坏条件的函数(应力及应变函数),称为破坏准则或强度准则。强度准则的建立,应反映岩石的破坏机理。岩石的破坏,通常可以分为脆性破坏和延性破坏。前者特点是岩石达到破坏时不产生明显的变形,后者的特点是破坏时会产生明显的塑性变形而不呈现明显的破坏面。岩石之所以能产生脆性或延性破坏,除了受到应力及应力状态影响外,也受到温度、应变率,地质构造等因素的影响,但目前大多数岩石破坏准则仅仅认为与应力或应变状态有关。本文主要针对库仑—纳维叶破坏准则进行探讨。     

高应力下脆性岩石卸荷力学特性及数值模拟

高地应力下脆性岩体工程开挖变形机理、稳定性评价及灾害控制技术研究一直是岩石力学和工程地质研究的难点问题。基于高应力下脆性岩石卸荷力学试验分析,明确了卸荷过程中的岩石力学参数及变形破坏演化规律,发现高应力下脆性岩石的破坏具有较明显的应变强度特征。分析了高应力下脆性岩石卸荷破坏采用张拉屈服的Griffith应变强度准则的合理性,建立了考虑卸荷屈服引起岩体力学参数变化的弹脆塑性数值计算方法,并在实际工程中得以验证。     

复合岩石层面剪切试验的研究

本文在不同粗糙度和不同正应力的条件下,对复合岩石层面的剪切试验进行了讨论,建立了复合岩石层面抗剪强度的准则及复合锯齿状层面的抗剪强度准则。实验表明:光滑层面的初剪与复剪抗剪强度具有峰值转换性;剪切位移具有弹性回复位移,并存在着剪切法向收缩现象;剪切滑移造成层面两侧岩石的张裂破坏。     

深海多金属硫化物力学特性的试验研究

以深海多金属硫化物自身特性为研究对象,对其样品矿物试件进行不同围压下的单/三轴破碎试验,得到深海多金属硫化物破碎全过程的应力-应变曲线,在试验数据的基础上分析矿石的破碎过程、破坏特征、适合的强度准则以及弹性模量、起裂应力和峰值强度等参数的变化规律等,研究结果表明:深海多金属硫化物矿石的破碎过程与普通岩石的破碎过程基本类似,分为OA,AB,BC,CD和DE共5个阶段,其中OA阶段往往不明显;多金属硫化物的破坏形式主要有3种,分别为横向破坏、剪切破坏和全面破坏,试件的最后破坏形式往往与施加的围压密切相关;Mohr-Coulomb强度准则更加适合判断多金属硫化物的破碎;所施加的围压越大,多金属硫化物试件的弹性模量越小;对不同的矿物试件,起裂应力和峰值强度与围压的关系是施加的围压越大,矿石的峰值强度与起裂应力之间的差值越大。     

岩石、岩体的动力强度与动力破坏准则

就岩石与岩体变形与破坏的时间特性进行了理论研究.研究了岩石及岩体的强度对于应变率的依赖关系及其机理,给出了考虑强度对于应变率依赖关系的莫尔库仑准则,确定了岩体的破坏尺寸与应变率之间的关系.讨论了若干时间性破坏准则,揭示了它们之间的内在联系.最后讨论了动力强度理论的应用.     

深部地层取心层裂机理研究

在深部高地应力地层中取心,岩心层裂(饼化)是一种常见的工程现象。岩心层裂和岩体的物性、力学性质以及原地应力密切相关。为研究钻井取心过程中岩心层裂现象的机理,结合川西南部地区Ａ井和B井取心过程中的岩心层裂现象,考虑岩石矿物组分与岩石脆性指数的关系,基于应力集中的非均匀岩石拉伸破坏模型,给出了岩心层裂现象产生的判据,采用理论计算和数值模拟方法对饼化现象进行了验证。研究结果表明：脆性矿物含量越高,岩石脆性越强,越易生成裂缝;岩心套取是一个卸载水平方向最大主应力的过程,卸载速度越快,损伤处的附加拉应力越大,且对应被激活损伤的尺寸就越小,当附加拉应力大于岩石抗拉强度时,会出现岩心层裂现象,随着取心的继续此过程将重复地发生下去。     

受拉加载速度变化对砂岩Kaiser效应影响

为分析受拉加载速度变化下的岩石破坏过程Kaiser效应特征,获取其机理和判断标准,通过3种加载速度的三点弯曲声发射试验,研究了受拉应力状态下砂岩Kaiser点的应力值与加载速度、声发射特征参数间的相互联系。运用RFPA2D从微裂纹开展角度,对试验过程中Kaiser效应随加载速度变化呈现的差异进行了机理分析。最后,运用小波分析方法获取了不同加载速度的砂岩Kaiser点频谱分布区间,量化了其宏观现象的判断标准。结果表明:砂岩的Kaiser效应特征参数与加载速度正相关,各参数的Kaiser点明显程度存在差异,累计事件参数最明显。加载速度越快,岩石裂纹扩展路径的规律性越弱。因裂纹竞争起裂趋势难度的变化,造成开裂能量分布均匀性降低,影响Kaiser效应的准确度和明显程度。Kaiser点的频率主要集中在0～312.50kHz范围,占比为40.54%,最大值在300kHz附近,呈现正态分布,并且Kaiser点的频率区间随加载速度的变化呈现不断紧缩趋势,这一规律可以作为反演辨识岩石受荷冲击强度变化的依据。     

基于Hock-Brown准则的层状岩体隧道开挖响应分析

利用Hoek-Brown准则描述岩体的强度特征,并建立相应隧道开挖的数值计算模型,分析不同侧压系数时层状岩体的变形破坏特征.研究结果表明,隧道边墙水平位移随侧压系数K的增大而增大,但当K为2.0-2.5时,位移随侧压系数的变化幅度逐渐减小;顺层岩体一侧的水平位移大于逆层一侧的水平位移;当侧压系数较小时,顶板沉降量大于底板回弹量,当侧压系数较大时,二者之间的差别较小;隧道围岩的破坏形式包括剪切破坏和拉伸破坏,当侧压系数较小时,破坏区域较小,主要位于隧道的左上部;随着侧压系数的增大,围岩的破坏区域逐渐增大,但主要部位仍位于隧道的左上部,而右上部的破坏区域较小.     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。     

岩石单轴压缩下破坏失稳过程SEM即时研究

通过在扫描电镜下进行单轴加载实验,即时观察分析岩石受力过程中微裂纹的萌生、扩展和贯通破坏的全过程,得到各试样的应力 应变曲线及其所对应的微结构变化的电镜照片·实验结果表明,岩石试件的变形与破坏过程可以分为裂纹压密、微裂纹萌生和扩展以及断裂破坏３个阶段;微裂缝首先在预裂缝周围的拉应力集中区产生,随着外载荷的增加不断扩展,最后形成与最大主应力方向平行的宏观断裂带·     

渗透与水化学作用之受力岩体的破坏机理

运用水文地球化学理论、突变理论和伪张力法分析了受力岩体系统在地下水流体渗透和水化学综合作用下的破坏机理，给出了渗透作用下受压岩石宏观破裂判据．结果表明，渗透作用加剧了受力岩体裂隙相互作用，导致微裂隙扩展及其相互作用发生变化，从而改变裂隙较易聚集的方向；水化学作用使岩体强度降低，其生成的粘土矿物使裂隙扩展张力加大；这两方面的综合作用使得岩体破坏、条件更易满足．讨论了有关斜坡不稳定性问题     

材料线弹性断裂力学的断裂准则研究进展

 断裂准则在预测含裂纹材料发生破坏的时间、位置和裂纹扩展路径等方面具有重要意义。重点总结了线弹性材料中裂纹的断裂准则，阐述了应力强度因子准则、最大能量释放率准则、最大拉应力准则、最大拉应变准则、最小应变能密度准则等常用的断裂准则理论及其现状，以及这些准则的优点和局限性；基于常用断裂准则对应力分量和临界半径考虑不足，归纳了国内外学者提出的修正断裂准则，包括考虑T应力（非奇异项）和可变临界半径rc的影响。分析了断裂准则在岩石和混凝土脆性材料中的应用，针对基于断裂准则预测其破坏行为时存在的难题，建议将裂纹尖端应力场的高阶项T应力引入断裂准则，能更准确地预测裂纹的扩展路径与偏转角。     

新的多参数强度准则

在新的力学模型上建立了三种类型的四参数强度准则。这三个新的强度准则不仅适用于拉压强度不等的材料，并且适用于那些单轴压缩强度不等于双轴压缩强度的岩土类材料。这三个强度准则有一普遍意义：最大剪应力准则、莫尔－库仑准则、双剪应力单参数准则、两参数准则、三参数准则，还有近年来提出的一些准则都是这三个准则的特例。     

循环冲击载荷作用下砂岩破坏模式及其机理

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置对不同静载砂岩试件进行循环冲击试验,研究其破坏模式.在研究岩石试件界面摩擦力的基础上,对不同静载作用下岩石试件的应力状态进行分析.研究应力波斜入射到微裂纹时的作用效应,探索具有一定静载的岩石在循环冲击作用下的破裂机理.研究结果表明:对具有三轴静载的试件,应力波在其最大剪应力所在平面进行斜入射时优先破坏.在循环冲击载荷作用下,具有轴向静载的岩石在破坏过程中具有明显的端部效应,而没有轴向静载的岩石则没有端部效应;静载荷的组合形式对岩石在循环冲击作用时的破坏模式影响较大;无静载荷作用时,岩石在循环冲击时逐步破坏成几块,破裂面平行于纵向面,属于张应变破坏;只有轴向静载作用时,岩石试件第1次破坏形成共轭双曲线型破裂面,进而在入射界面处发生破坏,破坏都属于张剪破坏;具有三轴静载作用时,由于轴向静载的不同,岩石最终破坏成圆锥台、圆锥体和V型锥体,破坏属于拉剪破坏.     

基于H-B强度理论的桩端岩层安全厚度确定

针对岩溶区桩端岩层安全厚度确定中存在的问题,引入能综合考虑岩体质量及三向应力的影响的Hoek-Brown岩体经验强度准则,确定了岩体抗拉强度计算公式,并采用Lambe变换,建立了较为实用的岩体剪切破坏强度公式.基于桩端岩体破坏模式,确定了桩端岩层安全厚度的计算方法.参数分析表明:RMR值对桩端岩层安全厚度有强烈影响,RMR值越高,安全厚度越小,反之越大.对于一般天然下自稳状态的溶洞顶板,安全厚度取3倍桩径较为合理.最后结合工程实例对本文计算方法进行了验证.