端面约束对岩样全部变形特征的影响

利用编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数，采用FLAC模拟了端面约束对含缺陷岩样剪切带花样、全部变形特征及侧向位移分布的影响。在峰值强度之前及之后，岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明，端面约束对岩样的破坏模式及剪切带倾角没有明显的影响，以致于不影响应力．轴向应变曲线及应力-侧向应变曲线软化段的斜率。端面光滑时剪切带的扩展速度及泊松比高于端面粗糙时。端面光滑时的应力一轴向应变曲线、应力·侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线及体积应变．轴向应变曲线均在端面粗糙时下方。端面光滑时的岩样失稳破坏前兆比端面粗糙时更明显。无论端面粗糙与否，岩样侧面上各节点水平位移分布都是不均匀的。通常，端面光滑时的最大侧向位移高于端面粗糙时。当轴向应变较高时，端面光滑时的侧向位移分布与端面粗糙时类似（端面上的节点除外），这反映了类似的破坏模式。     

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.     

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.     

单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

本文通过对两种不同岩石试样进行了单轴载荷破坏过程中声发射特性试验,得到了岩石全应力应变破坏过程中,声发射事件时间序列、事件累计数时间序列等声发射特性,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律,研究表明,声发射信息反映岩石内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变和损伤演化特性,对预测预报岩石破坏失效的过程具有有着极其重要的理论价值和实际意义。     

不同围压条件下花岗岩压缩破坏声发射特征细观数值模拟

采用颗粒流软件PFC2D从细观上对侧限压缩下的非均匀花岗岩岩样进行了声发射(AE)时空特征研究.结果表明,随着围压的增加,岩样破坏的峰值荷载提高,破坏形式由突发失稳逐渐转变为渐进式破坏.岩样声发射的峰值出现时间和岩样的峰值破坏不同步,存在一定的滞后,大约出现在峰后90%峰值荷载处.在岩样破坏前均存在声发射的相对平静期,围压的大小不仅对声发射的时序特征有显著影响,而且声发射相对平静期也随着围压的增加而延长.通过对应变能的追踪,发现在声发射相对平静期存在应变能被吸收的现象,验证了在岩石破坏过程中存在损伤愈合过程.     

侧向卸荷条件下不同含水率原状黄土变形特性分析

为研究原状黄土的侧向卸荷变形特点,选取陕西地区具有代表性的不同含水率Q₃原状黄土,进行不同固结压力下的分级侧向卸荷试验。试验结果表明：原状黄土在侧向卸荷下应力应变曲线为硬化型;初始固结压力较低的试样无明显破坏且轴向应变最终趋于稳定,固结压力较高的试样则发生破坏且轴向应变持续增加,对于低固结压力试样,含水率越高,最终稳定时的轴向应变越大;提出原状黄土的临界轴向应变比值,并通过拟合得出指数函数表达式,以计算各种情况土体卸荷达到塑性破坏时的围压值;根据试验结果拟合得到初始切线模量的经验公式,从而推导出不同含水率原状黄土在卸荷时的变形模量计算公式。     

岩石单轴受压体应变与长期强度关系

为了验证可根据岩石单轴受压体应变最大值大致对应出岩石的长期强度这一观点,对4个砂岩试样进行单轴受压试验,采用千分表测出受压过程中的径向变形,计算出径向应变和体应变,得出岩样单轴受压时轴向应力-体应变曲线,结果表明:岩石单轴受压时发生的是剪切破坏,轴向应力-体应变曲线极不规则.得出的结论是无法根据岩石单轴受压体应变的变化特征确定出岩石的长期强度.     

煤岩不同应力水平的蠕变及破坏特性

对韩城地区3#和5#煤岩在9 MPa围压下进行三轴蠕变试验,通过分级加载试验获取不同应力水平下煤岩的蠕变曲线。建立不同应力水平下煤岩的蠕变本构方程,并根据试验数据进行参数识别。结果表明:当3#和5#煤岩样的轴向应力分别小于其瞬时抗压强度的60%、40%时,蠕变曲线仅包含瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段,在等速蠕变阶段应变速率几乎为零;当3#和5#煤岩样的轴向应力分别介于其瞬时抗压强度的60%～80%、40%～80%时,等速蠕变阶段的应变速率近似为一常值;而当3#及5#煤岩样的轴向应力均为其瞬时抗压强度的80%以上,蠕变试验曲线分别表现出蠕变脆性破坏特性和蠕变韧-脆性破坏特性。     

不同卸荷路径下大理岩破坏过程能量演化规律

为寻找破坏过程中能量的实时演化规律,对大理岩进行不同路径的加、卸载试验,探讨岩体轴向能量、实际吸收的总能量随应变的演化规律。研究结果表明:在不同应力路径下,岩样轴向能量随应变的增加而呈非线性增大,初期能量增长速率较小,随后速率慢慢增大,在达到岩样临界破坏点时,出现1个速率的拐点,随后增长速率趋于稳定;在不同应力路径下,岩样破坏的轴向能量-应变曲线与总能量-应变曲线都存在1个速率突然变化的拐点,轴向能量的拐点出现在对应应力-应变曲线的破坏处,而总能量的拐点出现在对应峰值处。围压的变化没有改变不同路径下岩样的轴向能量-应变曲线的形式,但在不同围压下,加轴压、卸围压路径的总能量-应变曲线呈现不同的形式。卸围压速率没有改变轴向能量与总能量曲线的形式,只是改变曲线在不同阶段的变化速率。围压的增大,不同路径下岩样的轴向能量与总能量差增大,而卸荷速率的影响正好相反。     

初始损伤对脆性岩石抗压力学性质的影响

基于现有各向同性损伤本构理论,提出岩石初始损伤定义及其计算方法。初始损伤表示为加载前的损伤岩石弹性模量相对无损岩石弹性模量的劣化程度。对不同初始损伤的玄武岩试样进行单轴抗压试验,定量分析初始损伤对玄武岩的应力与应变关系、强度、破坏应变、初始泊松比和应变软化性质等的影响,给出单轴抗压强度、初始泊松比等力学参数随初始损伤变量变化的规律及拟合公式。研究结果表明:只有当岩石初始损伤超过损伤门槛值即无损岩石破坏时对应的损伤值时,岩石抗压强度随初始损伤增大而显著减小;与峰值应力对应的应变随初始损伤增大而近似呈线性增大趋势;岩石初始泊松比随初始损伤增大近似呈指数增大;初始损伤越小,应力峰值后的岩石破坏越显脆性。     

损伤和软化计算的有限元实施策略

研究了粘塑性损伤软化本构模型的有限元计算方法和实施策略，提出了粘塑性损伤本构关系的矩阵公式，在引进有效损矩阵的基础上，得出损伤弹性矩阵和局部损伤软化矩阵，分别用于计算粘塑性硬化阶段和局部软化阶段的有限元系统刚度矩阵。     

芒硝力学特性及其本构模型

为了解芒硝的力学特性,在MTS815岩石伺服试验机上对其进行了力学试验,包括单轴压缩试验和等围压三轴压缩试验,并对其强度和变形特征进行了分析。分析表明,芒硝在单轴压缩下表现应变软化特性,且强度很低,属于软岩的范畴;当围压在5 MPa以上时,芒硝表现明显的应变硬化特征。根据芒硝变形特性,提出了以岩石塑性应变作为微元统计分布变量,同时引入一个能够反映岩石破坏部分承载力的比例系数,建立了能够反映岩石应变硬化特征的损伤统计本构模型,并用试验资料对其进行了验证。结果表明,该模型能够较好地反映芒硝岩样的破坏全过程,且在单轴压缩下,芒硝微元破坏部分承受的力很小,可以忽略;而在高围压作用下,微元破坏部分承受的力比较大,不能忽略。     

基于数字图像的复合岩石试验与损伤模型研究

为研究层状复合岩石破坏过程和形态,采用相似理论制作出层状复合岩石相似模型,在单轴压缩条件下观测岩石的破坏特征,结合三维数字图像相关技术(3D Digital Image Correlation,以下简称DIC)对试件的整体变形及破坏进行全过程的观测,得到复合岩石三维场的位移和应变,同时基于试件表面应变场的变化,建立了表面损伤程度与损伤因子D之间的量化关系,进而得到基于DIC表征的层状复合岩石损伤演化模型,研究结果表明：(1)层状复合岩石的破坏形态与脆性岩石特征相似,以拉伸劈裂破坏和Y型剪切破坏为主;(2)DIC试验记录的表面应变与损伤因子之间的量化关系可有效反应岩石破坏的全过程,以此为基础建立的损伤演化方程与实验数据拟合效果较好,证明了模型的合理性。     

建立在损伤应变空间的岩体破坏准则

根据岩体损伤变形过程的耗能分析，以及岩石和岩体模型的损伤，破坏试验结果，在损伤应变空间建立了一个岩体破坏准则，可方便地用于岩体强度及破坏的预测，而不需附加设定，该准则既适用于脆弹性岩石，也适用于弹塑性岩体，而且对加载和卸过程同样有效。     

单轴压缩条件下消落带岩体应变及声发射特性研究*

为掌握消落带岩体在加载过程中其应力-应变和声发射特性,分析其变形破坏过程中各阶段的阈值,在单轴压缩、有CT断面扫描的辅助条件下,运用MST岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集处理系统,对消落带3个高程岩体进行试验测试。获得了岩石轴向应力与轴向应变、横向应变和体应变之间的关系特征曲线,以及加载过程中压密、启裂、损伤(破坏)各阶段的声发射信号数量、能量(振幅)等特征。两方法均可得到试件启裂、损伤阈值和峰值强度,但结果有一定差异性。通过两方法联合分析,可预判其岩体启裂强度和损伤强度分别为峰值强度的0.4倍左右和0.8倍左右。试验间接反映出消落带岩体改造强烈程度中部区域大于顶部和底部区域,与实际情况较一致。     

单轴压缩下高含石量胶凝堆石料的力学特性

通过高含石量(70%,80%,90%)的不同尺寸的胶凝堆石料重塑样的单轴压缩试验,研究了含石量和尺寸效应对破坏形态和力学特性的影响.并结合数值模拟解释了试验现象.结果表明:随着含石量的升高,压应力区与拉应力区相互交错分布,最终破坏时,受张拉破坏和剪切破坏共同作用.破坏形式从张拉劈裂破坏的一条曲折延伸的裂纹,逐渐转变为多条裂纹的剪切-张拉复合破坏模式,并伴随着局部区域颗粒的崩落.尺寸效应对重塑样的破坏形态影响不明显,而对力学性质有显著的影响,大尺寸试样的力学性质较差.     

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.