基于数字图像的花岗岩双轴压缩数值试验研究

以花岗岩室内试验为基础,研究花岗岩基于数字图像的二维颗粒离散元模拟方法.根据拍摄的花岗岩照片,运用数字图像技术重构花岗岩真实的细观结构模型.基于重构的细观结构模型建立相应的数值模型,采用颗粒流程序(PFC),通过单轴压缩试验,标定PFC模型参数,利用二维数值双轴试验方法研究花岗岩的力学特性,并从细观上探讨花岗岩的变形破坏机制.研究试件在数值试验中的受力全过程和细观破坏形态,得到试验数据,绘制应力-应变曲线和裂缝数-荷载步曲线,与室内试验结果进行了对比分析.研究结果表明:基于数字图像的花岗岩双轴压缩试验模拟获得的花岗岩强度特性、微观裂缝的发展过程和试件破坏特点与室内试验结果吻合;基于数字图像的二维颗粒离散元法可以描述花岗岩这类具有明显非连续性特征材料在单轴、双轴受压状态下的细观破坏特征,可为进一步研究非均质材料在复杂受力条件下的破坏机理奠定基础.     

水-岩相互作用对砂岩劣化效应的离散元模拟

以三峡库区消落带典型砂岩为研究对象,通过室内单轴压缩试验来获得水-岩作用对岩样的力学性质的劣化规律,并利用PFC2D离散元软件模拟单轴试验应力-应变曲线与室内水-岩作用试验曲线相符合的方式,来研究水-岩作用下三峡库区典型砂岩的微观力学参数的变化规律,揭示水-岩作用下岩石宏观力学性质的劣化机理.结果表明:在长期水-岩作用下,PFC2D数值模拟的细观参数变化规律与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致;模拟得出的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好;数值试样的破坏模式变化规律性与室内试验的也完全一致.说明PFC2D数值模拟能够很好地模拟水-岩作用对砂岩的劣化效应,并反应岩石真实的劣化规律,同时也验证了水-岩作用对砂岩的劣化效应的显著性.     

基于球面对称设计的离散元细观参数定量确定方法

采用球面对称设计法,通过宏观参数范围确定细观参数取值范围,得到多因素球面对称设计试验表,利用试验模拟计算结果和多元回归分析,建立岩石材料颗粒流PFC2D(particle flow code 2D)的宏-细观参数关系式。采用基于宏-细观参数关系式计算得到的PFC2D细观参数,进行单轴压缩下完整岩石的应力-应变曲线和宏观力学参数、含多裂纹岩石试件断裂轨迹的模拟计算。研究结果表明:岩石的应力-应变曲线、宏观力学参数、断裂轨迹的计算结果与试验结果较吻合,从而验证了该宏-细观参数关系式的有效性;采用球面对称设计建立PFC2D宏-细观参数关系式的方法可推广应用于其他脆性材料,可为PFC定量分析复杂荷载条件下的材料细观破坏机理提供参考依据。     

石膏颗粒接触试验研究

利用岩石双轴流变试验仪,研究了石膏试件在单轴压缩和颗粒接触条件下的力学特性和破坏模式.结果表明:圆柱单轴压缩试件破坏模式为均匀受力下的一次性剪切破坏,球形颗粒接触试件破坏模式为应力集中下的颗粒破碎多次破坏;在利用离散元模型进行模拟时,同种材料单轴压缩试验的细观参数与颗粒接触试验的细观参数相差较大,不同的受力情况需要分别进行标定.     

岩体隧洞损伤破坏过程实验及其颗粒流数值模拟

在以往有关节理模型实验和数值模拟的研究基础上,设计了几组含孔洞节理模型材料的压缩实验,并采用颗粒流软件Partide Flow Code(PFC2D)对模型实验过程进行数值模拟.以模型实验应力-应变曲线与数值模拟的曲线吻合作为PFC细观力学参数选取的准则,并利用获得的力学参数对含孔洞节理岩体破坏过程进行数值再现.分析了...     

基于颗粒流程序的非定常西原体模型

为实现岩石试样蠕变全过程的准确模拟,并从细观角度探究蠕变过程中微裂隙的发生和发展规律,在二维颗粒流程序(PFC2D)中开发出具有黏弹塑性特征的西原体流变接触本构模型,进一步提出包含两种非定常元件的非定常西原体模型,推导了模型本构关系和蠕变方程.在PFC2D中调用自定义西原体流变模型,通过参数调试,获得与真实试样具有相同强度特性的数值试样.以室内单轴压缩蠕变试验数据为基础,在Matlab中对模型非定常参数进行拟合反演分析.在此基础上,进行单轴压缩蠕变试验的模拟,计算过程中分别采用定常和非定常两种模型,并对微裂隙进行监测.对比分析结果表明:定常模型仅适用于衰减和稳定蠕变阶段;非定常模型也可用于描述加速蠕变阶段,从而准确模拟蠕变全过程;加速蠕变阶段主要是由微裂隙的加速发展而产生,加速蠕变将导致试样剪切破坏.     

基于颗粒流离散元的粘性土三轴剪切试验数值模拟

为了研究粘性土体的工程力学性质,本文通过对粘性试样进行室内三轴固结排水试验,得到了试样土体的应力—应变关系曲线以及强度指标,基于颗粒流离散元法的原理,利用PFC3D软件建立三轴试样模型,并设定颗粒间的接触为接触黏结模型,通过颗粒流数值试验对细观参数进行标定,从细观角度对粘性土的工程力学特性做了一定的研究。对比了不同围压下数值试验与室内试验的应力应变关系曲线,得到了较好的模拟效果。分析细观参数的变化对粘性土的应力—应变关系曲线的影响,得出边界条件、孔隙率、粘结强度、摩擦系数、接触刚度等细观参数的取值对粘性土的宏观力学性质有着显著的影响并对影响规律做了探讨,为今后的三轴试验颗粒流数值模拟提供了有价值的参考。     

基于颗粒流离散元的黏性土三轴剪切试验数值模拟

通过对黏性试样进行室内三轴固结排水试验,研究黏性土体的工程力学性质,得到了试样土体的应力-应变关系曲线以及强度指标,基于颗粒流离散元法的原理,利用PFC3D软件建立三轴试样模型,并设定颗粒间的接触为接触黏结模型,通过颗粒流数值试验对细观参数进行标定,从细观角度对黏性土的工程力学特性做了一定的研究。对比了不同围压下数值试验与室内试验的应力-应变关系曲线,得到了较好的模拟效果。分析细观参数的变化对黏性土的应力-应变关系曲线的影响,得出边界条件、孔隙率、黏结强度、摩擦系数、接触刚度等细观参数的取值对黏性土的宏观力学性质有着显著的影响并对影响规律做了探讨,为今后的三轴试验颗粒流数值模拟提供了有价值的参考。     

基于平行黏结模型的类岩石材料宏细观参数影响

为了研究材料宏观力学特性与细观参数的关系并进行细观参数标定,将平行黏结模型作为颗粒的接触模型,对颗粒流程序中的细观参数进行正交试验设计,结合室内试验确定类岩石材料的细观参数。结果表明:类岩石材料宏观弹性模量主要由颗粒模量、平行黏结模量以及半径乘子影响;法向黏结强度与切向黏结强度共同影响抗压强度,且不同黏结强度比对裂纹的分布有影响;泊松比主要由颗粒刚度控制,且颗粒刚度越大,剪切裂纹占比越大。物理试验与数值模拟的峰值应力接近,应力-应变曲线基本吻合,裂纹扩展形态一致,表明细观参数结果可靠,为其他岩石材料颗粒流模拟提供借鉴。     

非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下的细观力学响应

为了研究非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下的细观力学性质,进行了非饱和粗、细颗粒混合土动三轴的离散元数值分析。根据室内动三轴试验结果标定PFC2D接触模型参数,进行非饱和粗、细颗粒混合土动三轴离散元模拟,分析其细观力学机理。结果表明:离散元模拟结果与室内试验结果曲线拟合度基本一致,能较好地反映非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下力学特征。相同含水率条件下,粗、细颗粒混合土的累积动应变随动应力幅值的增加而增大;随围压的增加先小幅度增大后再大幅度减小。孔隙度随动应力幅值的增大而减小;随围压的增大也减小。试样颗粒在剪切过程中,上下端运动速度最大,整体呈现对称递减状,中部运动速度最小。     

基于声发射活动参数的岩石破裂过程应力阈值确定

在实验室应用声发射监测系统,对25块花岗岩样进行单轴压缩实验.通过连续实时监测花岗岩样破裂全过程中事件率、累计能量、能率、持续时间和振幅等声发射源特征参数的变化规律,获得岩样破裂过程各加载阶段的应力阈值.将岩石试件破裂全过程中各个阶段的应力阈值与峰值强度进行比较,并与以往实验结果对比,发现岩石变形特性和裂纹演化规律具有统一性.     

超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究

为提高深层干热岩破碎效率,以干热岩地层常见岩性-花岗岩为研究对象,提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究。鉴于室内实验方法的局限性,主要采用数值模拟和理论计算等研究方法,建立了高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型,探究了硬质花岗岩在温度-压力联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制。研究发现:在单轴径向压缩载荷下,高温花岗岩各向应力分布受到显著扰动,岩石沿横轴拉伸应力、两端载荷施加位置附近压缩应力和剪切应力均显著减小,导致裂纹越容易扩展。温度越高,岩石损伤越明显,其岩石抗拉强度越低。研究结果揭示了温度作用下花岗岩力学性质演化规律,可为深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

赣南花岗岩风化带岩土体强度特征及边坡破坏模式分析

为研究赣南地区花岗岩风化带岩土体强度特性及边坡破坏模式,采用室内岩矿鉴定、X粉晶衍射试验和电镜扫描等方法对原岩和全风化花岗岩进行矿物成分和微观结构分析,同时通过全风化花岗岩三轴固结不排水剪切试验,中风化花岗岩单轴和三轴试验对风化带岩土体的强度特征和破坏模式进行了研究。结果表明:随着围压增大,全风化花岗岩应力-应变关系发生了转型,破坏模式为先鼓胀再剪切破坏;中风化花岗岩在单轴压缩条件下经历了四个破坏阶段,三轴试验得到岩块的抗剪强度参数,经虎克布朗准则反演得到了岩体的强度参数。结合野外特征,赣南花岗岩风化带岩土体边坡失稳破坏模式主要有5种,其中坡面冲刷破坏占比较大。     

高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟

高放核废料处置库在开挖和使用过中围岩不断承受周期荷载,进而影响了高放核废料处置库的安全稳定。基于此,本文使用数值模拟方法研究了高温作用后花岗岩循环加卸载力学行为,在得到一组可以反映高温作用后花岗岩三轴压缩力学行为细观参数的基础上,分析了温度及围压对循环加卸载应力-应变曲线、弹性模量和破裂过程的影响。研究结果表明,常温下循环加卸载应力-应变曲线与单调加载吻合较好,循环加卸载造成宏观裂纹两侧晶粒脱落；600°C高温处理后,单轴循环加、卸载过程都会对应微裂纹增加,导致应力-应变曲线偏离较多。而高围压限制了卸载过程微裂纹数目增加及Felicity效应,循环加卸载峰值强度与单调加载差距明显减小,但循环加卸载会造成宏观裂纹两侧出现晶粒压碎现象。弹性模量随循环次数变化主要分为峰前阶段、峰后破裂阶段及残余强度阶段。600°C处理后试样内存在大量热裂纹,弹性模量峰前阶段会存在明显上升阶段,且对围压更加敏感。     

辉绿岩单轴及常规三轴压缩下力学特性试验研究

为了分析坚硬脆性岩石在单轴及常规三轴压缩条件下的强度和变形特性,通过在TAW-2000微机控制电液伺服试验机上对辉绿岩进行单轴及常规三轴压缩试验,主要分析辉绿岩在围压为1、3、5、10 MPa时基本物理力学参数的离散程度,其弹性模量的离散程度指标值较小,在0.27%～3.49%波动,能较好地表征辉绿岩的变形特性。试验结果表明:随着围压的增大,岩石峰值应变和残余应变均表现出显著的线性增长关系,可采用一次函数形式拟合,弹性模量、变形模量和泊松比均表现出较明显的非线性增长关系,可采用幂函数形式进行拟合,但并不会随着围压的增大而无限增大,而是趋于一个稳定值,这一规律为实际工程中不同地应力条件下准确选取弹性模量、泊松比等参数提供理论基础;随着围压的增大,岩石的峰值强度和残余强度均呈现出较显著的线性增长关系,可采用一次函数形式拟合,并计算出黏聚力和内摩擦角,为岩石工程设计时强度参数的选择提供参考依据。     

砂土单调剪切力学性状的颗粒流模拟

利用离散单元法中的二维颗粒流方法(PFC2D),采用了两种不同接触刚度模型对福建标准砂常规三轴试验结果进行了细观数值模拟,并探讨了不同围压水平下两种接触刚度模型的适用性.研究结果表明:对于Hertz-Mindlin接触模型,细观剪切模量影响数值试样的宏观变形模量,颗粒摩擦系数影响试样的峰值强度,细观泊松比变化对试样宏观响应影响不大.当考虑一个确定围压水平下的三轴试验模拟时,两种接触刚度模型均能得到较理想的结果;而当考虑不同围压条件时,由Hertz-Mindlin接触模型得到的结果要比线性接触模型更加符合实际砂土的性质.     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

微波照射下花岗岩单轴压缩损伤本构模型

为深入研究微波照射花岗岩的损伤演化过程以及探讨微波照射过的花岗岩进行单轴压缩后花岗岩应力-应变关系,首先以微波照射花岗岩的损伤特性为基础,综合考虑花岗岩在微波照射以及荷载作用下受到的损伤,将Weibull分布与损伤力学结合,得到考虑多因素作用的花岗岩损伤演化方程。然后根据Lemaitre应力等效原理及Hook定律,推导出考虑微孔隙闭合的花岗岩损伤本构模型。最后,采用微波循环照射花岗岩试验和单轴压缩试验对模型进行验证。验证结果显示,本研究建立的本构模型与试验结果拟合的曲线能较好吻合,证明了模型的合理性及参数取值的正确性。为岩石微波损伤理论的研究以及微波辅助破岩提供思路。