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...     

非均匀介质中应力波反射诱发层裂过程的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的动态版RFPA2。数值模拟软件，对不同冲击栽荷作用下非均匀介质中应力波反射谤发层裂过程进行数值模拟。通过对不同应力波延续时间、不同应力波峰值和不同应力波波形下应力波诱发层裂过程的数值分析，对应力波反射诱发层裂的规律和机制进行探讨。研究结果表明：应力波延续时间和应力幅值对岩石的层裂过程影响较大，不同形状的应力波实际上是在相同时段内应力波具有不同的应力幅值和不同的应力加栽速率，不同形状的应力波对介质的作用结果是这些因素同时作用的综合反映;应力波反射谤发层裂过程的发生，是各个时刻不同加载条件下微破裂累积的宏观体现。     

自由面对应力波反射诱发层裂过程影响的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的动态版岩石破坏过程分析系统RFPA2D数值模拟软件,对冲击载荷作用下非均匀介质中应力波反射诱发层裂过程进行了数值模拟,重点探讨了不同自由面情况对层裂过程的影响.结果表明：动态版RFPA2D数值模拟软件可以逼真地模拟其过程;在不同自由面情况下,应力波传播至自由面产生反射诱发层裂破坏,除与应力波的峰值、延续时间和波形等有关外,还与应力波传播的方向有关,如果相同应力波垂直入射至自由面比斜入射至自由面更容易诱发层裂破坏的发生;当应力波平行入射至自由面时不会诱发层裂破坏.     

水压致裂作用下岩体参数对裂纹扩展影响的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统RFPA2D20-Flow,以赋予材料非均匀性为特点,采用有限元计算方法,创建渗流-应力-损伤耦合模型.模拟分析了不同层理角度及不同岩石强度的非均质层理岩体在孔隙水压力作用下的水压致裂过程,描述了这两种岩体参数对拉伸裂缝萌生及扩展的影响趋势.模拟分析结果表明,层理角度和岩石强度对水压致裂作用下层理岩体裂纹扩展模式及岩体稳定性的影响是不可忽略的;随着层理角度的增加,最大主应力及层理弱面分别对压裂裂纹的萌生和扩展起主要控制作用;在同一层理角度条件下,随着岩石强度的减小,层理岩体的稳定性降低,其破裂模式亦产生较大的变化.     

基于非均匀网格的岩石破坏过程分析系统

提出了一个新型的能够分析岩石局部破坏过程的非耦合方法,即在岩石破裂过程分析系统(RFPA)中引入非均匀网格,利用其他商业数值模拟软件的优秀前处理功能进行建模,把建好的模型信息导入到RFPA中进行计算和后处理.为了验证程序的可靠性,同原RFPA均匀网格做一个简单误差对比.最后给出一些计算实例.结果表明,此方法不仅突破了原来RFPA的网格和模型的限制,而且操作简便,是值得岩土工程应用和推广的新型数值模拟方法.     

岩石类介质SHPB试验加载波形的数值分析

采用基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFPA2D对大直径SHPB装置中压杆的应力波弥散效应进行二维数值分析,讨论了矩形应力脉冲和三角形应力脉冲两种加载波形对弥散结果的影响.结果表明,基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFPA2D能够较真实地模拟SHPB试验中波形传播过程;在大直径SHPB实验技术中,由于压杆的横向泊松效应,波形在传播过程中的弥散现象明显;选择合适的加载波形可以有效降低SHPB装置中应力波的弥散效应,其中三角形波加载可以降低大直径SHPB动态测试中的应力波弥散,是岩石混凝土等非均匀材料SHPB动态测试的较理想加载波形.     

圆环试样用于岩石间接拉伸强度测试的数值试验

用岩石破坏过程分析数值软件(RFRA)对圆环试样用于岩石间接抗拉强度的测试过程进行数值试验·探讨了圆环内孔直径对于试样破裂模式及其强度测试结果的影响,阐明了不同内孔直径时岩石试样的破裂机制,并对该方法在实际应用中存在的问题进行了解释·数值试验得到的破裂模式和峰值强度与试验结果表现出较好的一致性·基于以上数值试验结果,提出了用开裂载荷来计算岩石间接抗拉强度的新的试验方案·     

岩石点荷载与单轴压缩全过程声发射数值模拟研究

利用岩石破裂过程数值模拟软件RFPA对点荷载与单轴压缩下岩石破裂的全过程进行数值模拟,得到了两种不同加载方式下岩石破裂全过程力学特性和声发射特征。通过对比研究两种加载方式下载荷与加载步、声发射事件与加载步、声发射能量与加载步之间的关系,结果表明:岩石在弹性变形阶段的中后期,声发射事件与能量都在显著增加,接近峰值应力时,声发射进入相对平静的阶段;单轴压缩与点荷载两种不同加载方式下,岩石整个破坏过程的声发射规律与特征具有较好的一致性。     

不同应力路径对岩石声发射Kaiser效应的影响

为了解在循环加载过程中使用不同应力路径岩石声发射Kaiser效应的特征,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)对三种不同应力路径下岩石试样的声发射特征进行了数值计算.在循环加载中采用不同的应力路径对试样加载,在二次加载过程中仍能观测到清晰的Kaiser效应,但是KF值却与先前的最大应力值有较大差别.研究结果表明,岩石Kaiser记忆的真实内容不是先前所受的最大应力,而是岩石内部的损伤程度.使用从原岩中取样,在实验室做单轴压缩声发射实验观测KF值的方法测得的应力值与真实的原岩应力有较大的差别.这一结论对于进一步认识Kaiser效应的本质和用Kaiser效应准确的测定原岩应力有重要的作用.     

岩石非均匀性和围压对Kaiser效应的影响

为了解采用Kaiser效应测原岩应力过程中的影响因素,应用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)对岩样进行数值模拟分析。结果表明:利用Kaiser效应测得的原岩应力值比真实值要小;岩石先前所受围压越大,岩石的均匀性越差,利用该方法测得的Felicity比值越小,Kaiser效应点应力值与真实值相差越大;对于均匀性极差的试样,Felicity比值曲线在首次加载施加围压后出现明显的拐点;随着岩石均质度的提高,先前所受围压对于Kaiser效应的影响逐渐降低。Kaiser效应的本质是对岩石内部损伤的记忆而不是对先前所受最大应力的记忆,要想得到准确的原岩应力,必须根据岩石的损伤本构关系对单轴加载得到的Kaiser效应点应力值进行修正。     

爆炸应力波作用下的凿岩爆破破岩模拟

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体载荷共同作用的结果,本文采用改进的DDA方法模拟爆炸应力波作用下的爆破破岩过程. 采用Hopkinson层裂算例验证了DDA方法对应力波传播和动态断裂破坏问题模拟的准确性. 通过在炮孔壁上施加三角冲击载荷,模拟再现了凿岩爆破中爆炸应力波作用下的孔周破坏、自由表面剥落、碎裂漏斗区域形成、较远区裂纹的扩展,以及岩体的抛掷,结合应力波传播模拟结果对破岩过程与机理进行了分析. 研究为进一步采用DDA模拟两种形式爆破载荷共同作用下的凿岩爆破创造了条件.     

岩石受拉破裂过程及其导水性研究

运用岩石破裂过程分析RFPA系统对单轴拉伸试验下硬岩、软岩两个试件的破裂过程进行了数值模拟,主要研究了硬岩、软岩的破裂失稳特点和导水性。试验结果表明硬岩达到应力峰值时,发生突然失稳,开始导水;软岩在拉伸作用时不会出现突发性失稳现象,而是达到极限应变时才开始破断、导水。由试验结果得出应力变化信息对于硬岩、应变变化信息对于软岩的拉伸破断和导水性具有积极的预报价值。     

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。     

单向压应力对砂岩漏斗爆破过程的影响

针对深部高应力条件下岩石爆破问题,开展不同单向压应力条件下的砂岩漏斗爆破实验,研究了静应力对漏斗爆破过程中裂纹网形成与扩展的影响.提出了爆破漏斗破坏分区的概念,即块状破坏区、过渡区、片状剥落区.分别分析了静应力对爆破漏斗三个破坏区的影响,进而阐明了不同静应力条件下岩石爆破破坏的特征.结果表明:静应力促进平行其自身方向裂纹的形成,抑制垂直其自身方向裂纹的形成,进而改变了裂纹网的形态;静应力促进平行其自身方向爆破漏斗破坏区的形成,对片状剥落区的影响最大,块状破坏区与过渡区次之,对垂直其自身方向的破坏区影响较小;当应力强度比达到0.15时,需要考虑静应力对爆破效果的影响.     

岩石破裂过程围压效应的数值试验

运用岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了岩石在变形破裂过程中围压对岩石变形、强度及声发射特性的影响.研究结果表明:数值试验结果与实验室观察得到的岩石变形、强度(弹性模量、抗压强度等)以及岩石破裂过程声发射的围压效应相吻合;同时,数值试验对在实验室中难以准确监测的声发射现象也进行了准确的模拟,所得结果对于地震预报、岩爆等冲击地压的预测具有一定的指导意义.     

Experimental study on dynamic mechanical property of cemented tailings backfill under SHPB impact loading

Cemented tailings backfill(CTB) have increasingly been used in recent years to improve the stability of mining stopes in deep underground mines. Deep mining processes are often associated with rock bursting and high-speed dynamic loading conditions. Therefore, it is important to investigate the characteristics and dynamic mechanical behavior of CTB. This paper presents the results of dynamic tests on CTB specimens with different cement and solid contents using a split Hopkinson pressure bar(SHPB). The results showed that some CTB specimens exhibited one to two lower stress peaks after reaching dynamic peak stress before they completely failed. The greater the cement-to-tailings ratio is, the more obvious the strain reaction. This property mainly manifested as follows. First,the dynamic peak stress increased with the increase of the cement-to-tailings ratio when the impact velocity was fixed. Second, the dynamic peak stress had a quadratic relationship with the average stress rate. Third, the cement-to-tailings ratio could enhance the increase rate of dynamic peak stress with strain rate. In addition, the dynamic strength enhancement factor K increased with the increase of strain rate, and its value was larger than that of the rock samples. The failure modes of CTB specimens under low-speed impact were tensile failure and X conjugate shear failure, where were nearly the same as those under static uniaxial and triaxial compression. The CTB specimens were crushed and broken under critical strain, a failure mode similar to that of low-strength concrete. The results of the experimental research can improve the understanding of the dynamic mechanical properties of CTB and guide the strength design of deep mining backfills.     

孔径及孔隙率对火山岩强度特性影响的模拟

在对火山岩圆球形孔隙结构研究的基础上,运用岩石破裂过程分析系统模拟了火山岩单轴压缩过程,研究了孔径及孔隙率对火山岩岩石变形强度特性的影响.研究结果表明:孔径从0.1 mm增加到0.3 mm,极限应变的降低百分率随着孔隙率的增加保持在一定范围内波动;弹性模量的降低百分率随着孔隙率的增加逐渐增加,并且呈现明显的线性增加趋势.在恒定孔隙率下,孔径对其影响主要表现在随孔径的增大,破坏模式由剪切破坏逐渐向劈裂破坏过渡.     

射孔角度对水力压裂裂纹扩展影响数值模拟

应用真实破裂过程分析系统RFPA2D20渗流版本,从细观力学角度出发,以赋予材料非均匀性为特点,采用有限元计算方法,通过创建渗流-应力-损伤耦合模型,模拟分析了不同射孔角度条件下的非均质岩体在孔隙水压力作用下的水压致裂过程.模拟分析结果表明,无论射孔角度如何变化,裂纹的发展方向始终趋向最大主应力方向;随着射孔角度的增加,逐渐形成双翼型转向裂纹,射孔方位角越大,裂纹的转向越明显,转向距离越大;0°~30°为最佳射孔方位角.数值模拟结果与实验结果相一致.