数字散斑相关方法用于岩石结构破坏过程观测

介绍了数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理及用DSCM进行岩石力学实验观测的观测系统,用此系统进行了一个岩石圆孔结构变形破坏过程的变形场观测,实验结果显示了此种岩石结构的复杂破坏过程。岩石结构的破坏经历损伤的积累及局部化过程,结构最终沿某一局部化带发生宏观破坏,但局部化带的演化在时间和空间上均不稳定,甚至存在跳跃与竞争现象。     

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．     

岩石的累进脆性断裂

本文基于作者多年系统的实验分析，用累进脆性断裂观点，分析了岩石变形和破坏的全过程，并探讨了岩石的非均质性对变形和破坏的影响。     

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。     

实验室岩石变形电磁信号的观测系统

为了能观测到岩石变形产生的微弱的电磁信号,需要建立一套相应的实验观测系统。典型岩石实验表明,在考虑到变形电磁实验的种种特殊要求,认真选择观测设备,并进行了严格误差校正之后,可以获得可靠的岩石变形过程的电磁辐射信号。并且在机械振动激发条件下,无论岩石是否含有石英,都会产生足够强的电磁辐射信号。但是其中,石英晶体的敲击电磁信号最强,频率最高。该结果对研究地震的电磁现象具有一定的参考价值和指导意义。     

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...     

探析砂岩在轴对称条件下的分叉

不同应力状态下岩石材料的失稳断裂破坏一直是岩石力学与工程研究的重点。本文在对岩石进行平面应变、常规三轴基础上,采用非线性分叉理论对岩石在断裂失稳过程中的局部化分叉进行了研究。根据许多岩石工程处于平面应变状态的实际情况,自行研制了岩石平面应变仪,进行岩石平面应变实验,并将平面应变实验结果和常规三轴实验结果进行比较;为研究岩石材料弹性模量的应力敏感性,进行不同围压和不同应力水平下岩石的加卸荷循环实验;根据岩石的平面应变和常规三轴实验结果．建立不同应力状态下岩石非关联弹塑性本构模型,应用变形分又理论的声张量法推导了不同应力状态下的分叉条件。     

岩石热-力作用过程的耦合

针对现有研究很少探讨加载和加温的历史对岩石热-力破坏的影响，利用带扫描电镜的岛津SEM高温疲劳实验机系统，通过先井温后加载和先加载后井温两种不同加载加温顺序的细观实验，实现了岩石试样在温度和力作用下的热-力耦合破坏个过程的实时监测，结果表明：加温加载途径对材料的变形破坏是有影响的，它们是相互耦合的非线性作用过程。从能量的观点理论计算了两种不同加载途径的应变能。理论和实验证明，岩石在温度载荷作用过程中，应考虑其热-力耦合效应。     

岩石破坏过程声发射信号的级频维数特征

为了解岩石损伤变形破坏过程中产生的声发射信号的级频维数特征,利用先进的MTS815岩石力学性能试验系统和PAC的DISP-II声发射仪,对大理岩试样进行了常温下力学性能的实验研究和理论分析,系统地分析了岩石变形破坏过程中的声发射特征及其力学机制.研究结果表明:在同一应力水平下,随着嵌入空间维数m值增大,声发射过程的关联维数也相应增加,而自相似程度随着m值的增大而减弱;级频分形维数随着岩样所受应力的增加呈降低的趋势,试件破坏时级频分形维数达到某一最小值,这体现了岩样破坏前损伤局部化特征.     

岩石变形和破坏力学的基本问题

岩石具有非均匀和各向异性的特征，是非连续介质和复杂的流变体结构。岩石变形和理论可以分成两个基本方向：变形固体的经典力学和位错理论。这些方法用于研究岩石的变形与破坏，取得了较大的成为但均具有局限性。所以，目前不具有真正意义上的岩石力学。建议对岩石的变形过程和破坏必须至少在三个规模构造水平（宏观、细观和微观）上同时加以研究。指出了在研究岩石变形和破坏时平移和旋转是有机相互联系的。变形构造水平所有等级体系随后的演化，正好使破坏在不同规模上形成有次序的发展，直到形成宏观的破坏。这种方法能将变形固体物理学和力学中所得到的结果统一起来用于岩石力学问题的研究。     

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。     

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.     

基于数字图像相关方法的巴西圆盘变形局部化分析

为了研究岩石拉破坏过程中的变形局部化特征,采用数字图像相关方法进行了巴西圆盘劈裂试验及变形场测试,分析了圆盘试件破坏过程中的水平位移场演化过程。研究表明:巴西圆盘在压密阶段即已出现较明显的水平位移局部化现象,弹性阶段的局部化区域由上下端向中部扩展,在塑性阶段演化为近似中心对称的扇形;巴西圆盘左右背向位移差过大时,试件中部会呈现一条零位移条带,并在峰值点时张拉破坏为裂隙带。     

刀具侵入作用下节理岩体位移及应变场演化特征试验研究

为了研究在全断面岩石隧道掘进机(TBM)作用下节理岩体的变形破坏特征,采用DSCM方法,通过对加载过程中试件表面数字散斑图像进行计算分析,获得刀具侵入作用下临界状态不同节理参数(倾角和间距)试件表面的位移场以及应变场分布特征。研究结果表明:节理参数的不同对试件表面位移场和应变场分布有着明显的影响,节理的空间位置控制着试件表面变形局部化特征,进而影响裂纹的扩展模式。试件达到临界破坏状态时,其应变场的分布特征能够很好地反映损伤局部化的特点。     

重正化模型及其在岩石失稳破坏中的应用

基于岩石强度的概率分布假设,根据自相似分形的观点,采用重正化群模型对岩石失稳破坏过程中的临界现象进行了研究,得到了岩石材料失稳破坏的理论临界点及岩体稳定性的发展方向.通过实验数据与重正化群模型的计算结果的对比,证明了重正化破坏模型能准确地模拟岩石的失稳破坏,并能有效地推测出破坏的临界点,建立了判断岩石稳定状态的判据.     

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。     

岩石力学系统演化过程研究现状

对岩石力学系统的基本概念，描述方法及其稳定性进行了分类，对岩石变形力学系统、岩石滑动学系统的演化过程中及其控制变量，动力稳定性及控制变量的研究现状进行了分析评述。指出应从系统的结构形式，系统的参数非线性，子系统及总系统间的相互作用，系统临界荷载，复杂环境对岩石力学系统演化过程及其运动稳定性影响等方面进行探讨。     

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。     

岩石工程系统破坏的弱场控制探讨

岩石工程系统的破坏发生在系统相对最薄弱部位和环节，系统的弱场控制着岩石工程的承载力。在建立弱场控制概念的基础上，提出了强度问题的弱场控制原理及其发生判据，利用数值分析和红外监测实验相结合的研究方法，探讨了含梯形孔洞混凝土试件弱场控制的演化过程及对应的破坏现象，证实岩石工程系统的弱场是岩石结构与外力相互作用的结果，弱场是岩石工程系统破坏的控制区域。     

火箭蒙皮在岩石颗粒撞击下的变形与破坏

火箭井式发射过程中,发射场坪上的岩石颗粒在高速引流的作用下会向井口运动并有可能撞击到正在出井的火箭。为了预测火箭蒙皮在岩石颗粒撞击下的损伤情况,利用非线性显式动力学分析程序LS DYNA建立了岩石颗粒垂直撞击薄靶板的三维模型,分析了火箭蒙皮在岩石颗粒撞击下的动态响应。研究了岩石颗粒的速度、体积及其形状和桁条结构对蒙皮变形破坏的影响。研究结果表明：在岩石颗粒撞击下,火箭蒙皮主要发生弹性变形,局部区域发生塑性变形并产生1~5 mm不等的永久凹陷。在撞击过程中,蒙皮的变形位移与岩石颗粒的撞击速度和体积近似成正比关系,且长方体岩石颗粒对蒙皮造成的变形破坏要小于球体岩石颗粒。此外,桁条结构在一定程度上可以提高蒙皮的抗冲击性能。