围压作用下岩石峰后应力-应变关系模型

假定峰后软化阶段任意一点皆满足摩尔库仑极限破坏条件,建立岩石峰后后继屈服面模型。利用岩石峰值处和残余阶段初始处应力状态绘制几组莫尔应力圆,获得不同围压下峰值处和残余阶段初始处的黏聚力c和内摩擦角φ,然后分别建立黏聚力c和内摩擦角φ同围压的函数关系。基于莫尔-库仑准则,以最大主应变ε作为软化参数,以分段线性函数形式演化黏聚力c和内摩擦角φ的正切,反求内摩擦角φ,从而建立岩石峰后应力-应变关系模型。数值算例研究Tennessee大理岩三轴试验的峰后应变软化过程,模拟结果与试验结果较吻合。研究结果表明:建立的峰后应力-应变关系模型合理而可靠,可以较好地描述不同围压下岩石的峰后力学行为。     

黑云母花岗岩动力学特性与强度准则分析

为了研究黑云母花岗岩动态特性与强度准则的应变率效应,文章采用高压动三轴仪对不同应变率、不同围压下的试样进行动三轴压缩试验。结果表明:相同应变率下,随着围压的增大,岩石破坏模式由轴向劈裂转变为剪切破坏;相同围压下,随着应变率的增大岩石破碎程度加剧;花岗岩的抗压强度随应变率和围压的增大均呈增大趋势,但增长幅度在应变率超过10-3/s和围压大于60 MPa后逐渐减小;弹性模量整体上随应变率的增加而减小,且与围压间变化规律不明确;泊松比与应变率、围压均未见明显关系,其值集中分布在0.33左右。此外,对比分析中等应变率下经典莫尔-库伦强度准则及其2种改进形式的适用性,发现考虑平均主应力修正的莫尔-库伦准则对试验数据的吻合度较高,而直线型莫尔-库伦准则和抛物线型莫尔-库伦准则拟合误差较大,且随应变率的增加,误差有增加趋势。     

岩石类材料损伤局部化分叉

为获得弹塑性变形时破坏失稳的损伤效应,假定岩石类材料各向同性损伤,将损伤变量与加卸载函数引入不连续分叉方法,考虑损伤时的刚度退化和体积扩容,推导出材料损伤失稳时的最大硬化模量和局部化方向角及其与损伤程度和初始泊松比的关系,在平面应力与应变条件下对单轴拉伸压缩试件的分叉失稳进行对比分析.结果表明:局部化方向角与最大硬化模量依赖于材料的初始泊松比与损伤程度;平面应力或应变时,拉伸与压缩得到的局部化方位角之和为90°,最大硬化模量可分为平面应力与应变条件两种,与单轴拉伸或压缩条件无关.     

三向应力下岩石的强度和变形特性研究

为探讨岩石在三向应力作用下的强度和变形破坏规律及影响因素,采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,分别对砂岩和灰岩进行了三轴压缩试验。基于岩石的应力应变曲线与莫尔-库伦准则,对其残余强度、抗剪强度参数和弹性模量等力学变形特性进行了研究,并分析了孔隙率对岩石各类参数的影响。结果表明:围压对岩石的破坏特征有显著影响,岩石由低围压控制下的脆性破坏逐渐转变为高围压控制下的塑性破坏;横向应变的变化规律与侧向压力作用关系不明显,岩石在峰值应力处的横向应变几乎为定值,应力刚降至残余强度时的横向应变也近似为定值;与砂岩相比,灰岩的孔隙率较低,因而内摩擦角较大,峰值强度也越高,峰值后的残余强度降低得越明显;围压对低孔隙率岩石的弹性模量影响较小,而高孔隙率岩石的弹性模量随围压增加而增大。     

云雾山隧道围岩力学性质研究

对宜万铁路云雾山隧道灰岩进行室内三轴压缩试验研究,分析与比较了自然状态和饱和状态试样在不同围压下应力-应变关系曲线,结果表明,含水状态和围压对岩石的峰值强度、轴向应变及弹性模量均具有一定影响.在主应力空间内,利用线性莫尔-库伦强度准则拟合试验数据得到岩石的强度参数C,φ值,为该隧道工程的计算分析提供参考.对岩样的破坏特征进行分析后得出:在较低围压下,试样基本上为宏观单一断面的剪切破坏,随着围压的增大,试样有向两个相交的剪切面发展的趋势.     

华山花岗岩动力性质的三轴试验研究

对华山花岗岩进行动三轴试验研究,分析了其抗压强度、弹性模量、泊松比与应变率及围压间关系.结果表明:围压不变时,随应变率的增大抗压强度增大,而弹性模量和泊松比变化不明显;应变率相同时,围压增大抗压强度也变大,但弹性模量和泊松比变化较小.基于以上试验结果,分别采用莫尔-库仑准则和霍克-布朗准则,定量地给出了华山花岗岩抗压强度与应变率以及围压间表达式.采用莫尔-库仑准则分析时,强度的变化由黏聚力占主导;采用霍克-布朗准则分析时,应变率效应主要表现在单轴抗压强度的改变上,而材料参数m变化很小.     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

ETFE薄膜单轴和双轴拉伸试验与分析

采用乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜哑铃形试件,进行单轴拉伸试验,得到了工程中常用的ETFE薄膜的力学参数(屈服强度、屈服应变、切线模量和割线模量);在考虑ETFE薄膜粘弹塑性效应特征的前提下,应用应变能等效的方法计算ETFE薄膜等效弹性模量,结果表明计算得到的等效弹性模量介于切线模量和割线弹性模量之间.研制了一种专用于ETFE薄膜双轴拉伸试验的装置,并进行了系列试验;基于正交异性薄膜理论推导出薄膜双向解耦的独立弹性常数计算列式.根据ETFE薄膜双轴拉伸应力-应变曲线,求得厚度为250μm的ETFE薄膜在双边应力比为1:1的工况下的耦合模量为1163 MPa;由正交异性理论计算得该薄膜的解耦模量为814.2 MPa,与单轴拉伸试验得到的等效弹性模量相近.     

扩容角对圆形巷道岩爆过程的影响

利用FLAC模拟了不同扩容角时圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。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。文章的模拟分为3步：首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的FISH函数,开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态。模拟结果表明,随着扩容角的增加,剪切带变宽,岩爆坑变深,破坏单元数目增多,破坏区变大。当扩容角较低时,高剪切应变集中于“狗耳”形岩爆坑位置,剪切带与巷道周边切线之间的夹角较大;当扩容角较高时,高剪切应变集中于巷道周边的一些位置上,剪切带与巷道周边切线之间的夹角较小。该研究结果与Roscoe,Arthur理论相符。     

峰后脆性对非均质岩石试样破坏及全部变形的影响

在平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟峰后脆性对含初始随机材料缺陷的岩样的破坏过程、前兆、声发射及全部变形特征的影响.利用若干FISH函数预置初始随机缺陷,计算全部变形特征,并统计每10个时间步内的破坏单元数.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.不同脆性岩石的峰后的应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线及由侧向应变及轴向应变计算得到的泊松比-轴向应变曲线于应力峰值之前发生分离.由于缺陷的依次破坏,在初始加载阶段之后,计算得到的泊松比随着轴向应变的增加而直线上升,这使侧向应变增加的速度超过轴向应变增加的速度.随着峰后脆性的降低,岩样失稳破坏的前兆变得明显,破坏变得不突然.脆性越强的材料,体积膨胀之后发生应变软化越早;剪切应变集中的位置越少;在硬化阶段及软化阶段,声发射持续的时间越短.     

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。     

短粗试样（矿柱）渐进破坏的围压效应

采用FLAC，在矿柱端面不存在水平摩擦力条件下，模拟了围压对矿柱渐进局部剪切破坏的影响。在弹性阶段，材料的本构关系为线弹性。峰值强度后的本构模型取为莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。数值结果表明，随着围压的增加，矿柱的峰值强度、残余强度及应力降增加；剪切带图案变得不规则，对称性变差，发生塑性破坏的单元数量变少，被剪切带切割的块体尺寸及形状变得不规则；总软化区扩展率降低，因此，受到高围压作用的矿柱，不易发生失稳破坏。但在破坏前，前兆不明显；矿柱中部的均匀分布的水平及垂直应力增加，它们的分布具有某种相似性。在剪切带之外，垂直及水平应力均较高，这为剪切带沿其切线及法线扩展提供了所需要的、较高的应力梯度。应力分布的不均匀性，根源于矿柱发生了以多重剪切带为表现形式的局部剪切破坏。     

非线性卸荷速率下的硬岩破坏特性与裂纹演化规律

为研究硬岩卸荷阶段速率非线性变化时的破坏特性,利用室内三轴压缩试验和颗粒流数值模拟开展余弦型、直线型和指数型三种卸荷速率变化方式的硬岩破坏研究.结果表明: 指数型卸荷的硬岩首先失稳破坏,余弦型卸荷的硬岩则不易发生破坏,前期较快的卸荷速率对整个卸荷过程的损伤积累影响更大; 硬岩卸载过程中的承载强度受初始围压和卸荷方式的共同影响,且围压愈高则卸荷方式影响愈显著; 根据Mogi-Coulomb准则,指数型卸荷通过内摩擦角影响硬岩强度,而直线型和余弦型卸荷的硬岩强度主要受黏聚力影响;指数型卸荷因前期快速卸荷易在端部产生部分破碎,直线型卸荷随围压升高由陡倾角剪切破裂带过渡多个“V”型剪切破坏,余弦型卸荷随围压增大呈塑性破坏特征趋势.     

初始相对密实度对砂土强度特性影响的试验

针对两种级配不同的福建标准干砂,在不同固结压力下进行常规三轴试验,着重探讨不同初始相对密实度对砂土抗剪强度的影响.试验结果表明:考虑砂土的初始结构性,即初始相对密实度不同时,砂土的强度特性会发生较为显著的变化.相同试验围压下,随着密实度的增加,试样的初始切线模量有所增长、试样的峰值偏应力逐渐增大;而相同密实度的情况下,随着试验围压的增加,初始切线模量也有较为显著的增长、试样的峰值偏应力也逐渐增大;试样的内摩擦角随着初始相对密实度的增加基本呈线性增长.结合试验结果建立了砂土抗剪强度指标与初始相对密实度之间的关系,进而考虑初始相对密实度对莫尔-库伦准则进行修正.     

基于应变状态的岩石损伤演化模型

针对基于几何特征统计的损伤张量难以描述由局部应力集中或局部变形不协调引起的损伤局部化现象问题,建立了基于材料应变状态的损伤张量,并根据弹脆性本构关系和相应的屈服准则推导损伤演化方程,研究脆性岩石材料的损伤效应.实例计算表明,基于材料应变状态建立的损伤模型有更快的损伤演化速度,更能反映脆性岩石的性质.     

水泥土强度特性和损伤本构模型研究

为探究围压对水泥土强度特性的影响以及建立不同围压影响下的损伤本构模型,开展室温和冻结状态不同围压下三轴剪切试验.考察了围压对水泥土力学参数的影响规律,建立能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则.假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度,建立了考虑围压的统计损伤本构模型.结果表明,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式建立的损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下水泥土应力-应变曲线,且能够反映出冻结状态水泥土低围压下的应变软化现象与高围压下的应变硬化现象.室温状态时不同围压下损伤变量随轴向应变变化曲线形状相似,均随轴向应变增加呈"S"型单调递增.冻结状态下低围压抑制水泥土损伤劣化程度;高围压使其损伤劣化程度增加,在轴向应变很小时,损伤变量就达到较大值.     

Mohr包线的二次曲线形式

为了研究岩土类材料破坏的非线性，基于直剪试验和三轴试验结果的特点建立了二次抛物线形式的Mohr破坏包线，并给出了主应力表达形式。与Mohr-Coulomb准则一样，确定此破坏包线只需要两个破坏Mohr圆。根据本法得到的偏平面上的屈服迹线呈等边不等角曲边六边形。且随平均主应力增大，屈服迹线相对于由Mohr-Coulomb准则得到的结果要经历三个阶段：小于Mohr-Coulomb准则屈服迹线、大于Mohr-Coulomb准则屈服迹线和小于而且越来越小于Mohr-Coulomb准则屈服迹线。利用本模型在子午面上可以方便地直接给出平均主应力与偏剪应力的关系。本模型可以反映拉压不等性。     

含甲烷水合物松散沉积物的力学特性

通过含甲烷水合物松散沉积物三轴测试,首次基于临界状态原理探讨水合物沉积物发生应变软化、硬化破坏形式的机制,重点分析各强度参数变化规律及其对破坏模式的敏感性。结果表明:三轴剪切试验过程中沉积物破坏模式受有效围压、水合物饱和度等因素共同控制;破坏模式对峰值强度、起始屈服强度、起始屈服模量、内聚力、内摩擦角等参数的影响较小;不同破坏模式条件下水合物沉积物切线模量、峰值剪切模量等参数变化规律完全不同,其计算模型须在不同破坏模式框架内分别分析,而不能忽略破坏模式的影响建立笼统的水合物沉积物强度参数计算模型。