基于裂隙演化微分动力学机制的岩石损伤本构模型

为研究天然岩石内部不同形态裂隙的演化行为与岩石累计损伤程度之间的关系,运用唯象理论将岩石分为完整岩石微元体、闭合裂隙微元体和开口裂隙微元体3组分。基于生物群落生长逻辑建立岩石的裂隙演化微分动力学方程,并利用半解析方式求解岩石闭合裂隙与开口裂隙在受压状态下的演化表达式,实现压缩过程中岩石不同微元体之间转化关系的量化。其中开口裂隙演化曲线呈先下降后上升趋势,反映初始开口裂隙在压密阶段前后的变化规律,符合压密阶段非线性的应力-应变曲线关系。随后,以岩石裂隙演化解析表达式定义岩石压缩破坏的全局损伤变量,精准量化岩石在初始阶段、压密阶段、弹塑性阶段以及峰后阶段的全过程损伤程度,并提出基于上述裂隙演化机制和全局损伤变量的损伤本构模型。最后,基于微分方程理论推导、强度准则以及多目标优化等多种手段确定损伤本构模型参数,完成对岩石三组分初始比例以及3种裂隙转化因子的稳定求解,进而实现岩石压缩过程中的应力应变曲线仿真。研究结果表明：在煤岩及炭质泥岩的实例分析中,所建立的损伤本构模型能够较好表征不同岩石在不同围压下的应力应变特征及裂隙扩展规律,模型仿真结果与试验结果基本吻合。     

基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型

在分析裂纹起裂与扩展规律基础上,考虑翼裂纹间的相互作用,提出了一种新的翼裂纹尖端I型应力强度因子计算模型.基于修正的翼裂纹扩展模型,考虑损伤演化对被激活微裂纹数目的影响,并结合宏-细观损伤定义之间的关系,建立了基于微裂纹扩展作用下的岩石损伤本构模型.最后,将理论模型曲线与试验曲线进行了比较分析.结果表明:修正的翼裂纹扩展模型不仅能够准确地预测翼裂纹的起裂角,而且能够准确地模拟从极短到很长的翼裂纹整个变化范围.基于裂纹扩展作用下的损伤模型能够连续地模拟不同围压下的应力-应变全过程曲线,而且能够较好地预测峰值强度.     

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。     

岩石在不同应力条件下的本构模型与损伤演化

目的建立反映岩石破裂过程的本构关系,解决由于其天然的复杂形态和赋存条件的多样性而导致的复杂破坏特性问题.方法借助连续损伤理论和Weibull统计分布函数,针对岩石不同应力条件下的变形特征分别建立本构模型,并通过引入损伤因子导出损伤演化方程.结果岩石在受到单轴应力以及三轴应力时所得到的本构方程在原理上是一致的,区别在于在受到三轴应力时需考虑围压的影响.随着轴向应变的增大,岩石要经历微型隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段.在三轴应力试验中,随着围压的增大,上述阶段会变得缓慢.结论岩石的应力应变曲线实质上是以裂纹为主的变形破坏过程,是损伤变量趋于1的发展历程.围压增大抑制了岩石中微裂纹的扩张,说明围压会改变岩石的受力状态,宏观上表现为岩石平均强度的增大.经参考试验结果验证,所建立的模型合理可行.     

基于Weibull统计分布的岩石损伤模型

基于岩石内部裂隙和孔隙分布的随机性,运用连续损伤力学理论,建立了围压与轴压共同作用下岩石的统计损伤模型;结合岩石应力应变曲线的特征参量确定了模型参数,增强了模型的适应性;探讨了岩石损伤的演化性态及其宏观表现,并通过试验对模型进行了验证.结果表明:岩石的宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应,其损伤演化途径反映了岩石变形破坏的全过程;模型理论曲线与试验实测曲线具有较高的吻合度,验证了模型的合理性.     

角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

煤岩三轴压缩损伤破坏声发射特征

在对MTS815岩石伺服试验系统通讯传输接口进行改造的基础上,实现了将检波器置于三轴室内的三轴压缩声发射试验,克服了检波器置于三轴室外壁无法监测到全面可靠声发射信号的弊端.煤岩三轴压缩声发射试验结果表明,与单轴压缩相比,围压增强了煤岩的整体性及刚度,使压密阶段声发射活动明显减弱.声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍滞后于煤岩宏观破坏时刻,说明围压不但提高了其峰值强度,而且由于围压使煤岩内部裂隙的错动滑移受到抑制,提高了其峰后承载能力.振幅反映声发射的强度,三轴压缩条件下,轴向加载初期声发射振幅较小,宏观破裂前后出现大量高振幅声发射事件,残余塑性阶段仍然有较多振幅较大的声发射事件产生.声发射撞击计数率表征裂纹扩展的次数及速率,三轴压缩声发射撞击计数试验结果表明,弹塑性阶段是煤岩裂隙萌生扩展的主要阶段.岩石三轴压缩破坏声发射特征对于深刻理解矿山井下岩体破坏机理及采用微震监测技术预防相关动力灾害事故具有重要的理论及实际指导意义.     

单轴压缩声发射试验的页岩损伤演化规律

为获得受载页岩准确的损伤演化规律和声发射特征,完善以往受载岩石损伤单调增大的理论,进一步扩展对受载岩石内部损伤演化机理的认识,对陆相页岩进行单轴压缩声发射试验。试验结果表明:页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段,压密阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形前期有少量声发射信号,页岩峰值应力前后有大量声发射信号,特别是峰后破坏阶段,声发射信号急剧上升,声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程;页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大,因此对于层理性岩石不能忽略层理对岩石力学性质的影响;页岩压密阶段内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,页岩弹性模量不降反增,应力-应变曲线呈下凹型,首次提出受载岩石损伤先减小后增大,建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构模型。     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石Ⅰ型裂纹弹塑性损伤破坏问题.对比分析表明,宏观尺度研究Ⅰ型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性.     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石I型裂纹弹塑性损伤破坏问题。对比分析表明,宏观尺度研究I型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性。