岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石I型裂纹弹塑性损伤破坏问题。对比分析表明,宏观尺度研究I型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性。     

岩石破坏全过程的CT细观损伤演化机理动态分析

利用最新研制的与CT机配套的专用加载设备,进行了三轴(单轴)荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的动态CT(Computerized Tomography)试验.得到了在不同荷载作用下岩石从微孔洞被压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏直到卸载等各个阶段清晰的CT图像.对得到的CT数等数据进行了分析,给出了应力损伤门槛值,得到损伤扩展的初步规律.     

岩石细观损伤过程的CT动态观测

采用宏观轴向应力与密度损伤增量结合分析岩石纲观损伤演化过程。根据ＣＴ图像可以求得岩石损伤过程中任意应力阶段任意区域岩石密度损伤增量,首次将任意区域岩石压密和扩容定量化。岩石密度损伤增量不仅可以反映岩石损伤程度,而且可以描述岩石损伤演化过程。进一步讨论表明,岩石密度损伤增量场能圆满地刻画岩石细观损伤状态和岩石细观损伤过程。     

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．     

基于岩石细观损伤机制的岩爆机理研究

岩爆是采矿诱发的地震现象，是矿井自然灾害之一。岩爆发生条件与岩石的力学性能有关。岩体中微裂纹的形成、扩展和汇合对岩体的力学性能产生显著影响，可以导致材料的逐渐劣化直至破坏。对于三轴压缩的岩石试件，当侧向应力为拉应力或很小时，其破坏形式主要是徽裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展。本文基于岩石细观损伤机制，在本构关系中引入损伤效应函数，用于分析圆形洞室的岩爆现象，得到了岩爆发生的临界损伤范围和临界载荷的解析式。结果表明临界损伤范围取决于弹性模量与降模量之比；临界载荷与峰值强度及内摩擦角有关。     

混凝土宏观损伤与细观损伤的结合

提出了能量耗散等效原理，建立了混凝土材料宏观损伤与细观损伤的关系；单轴压缩下，纵向损伤与横向损伤之比为０．１；根据建立的宏观损伤与细观损伤的关系，细观量的演化就可以通过宏观量来反映，易于测量；反之，宏观量的演化又有了细观物理背景     

CT尺度下冻融岩石细观损伤特性分析

为研究冻融环境下岩石细观损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,首先进行冻融循环试验,再对经历0次,5次,10次,20次和40次冻融循环的试样进行CT扫描.采用K均值聚类算法实现了扫描图像的二维孔隙识别;通过三维重构再现了红砂岩的冻融破坏模式,确定了试样的有效承载区,在细观层面实现了对岩石冻融损伤的定量分析.结果表明:通过K均值聚类算法确定阈值,可以有效实现CT图像的二值化;三维重构后的模型可以再现红砂岩试样在冻融过程中的损伤模式以及内部孔隙的发育特征;随冻融循环次数的增加,基于有效承载区定义的损伤变量逐渐增大,并与孔隙的发育趋势一致,能有效地反映冻融循环作用下岩石的损伤演化规律,为冻融岩石细观损伤研究提供了一种切实可行的方法.     

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。     

岩石统计损伤本构模型与试验

基于Mohr-Coulomb破坏准则以及岩石微元强度服从Weibull函数随机分布假设,通过有效应力原理引入孔隙水压力,构建了新的统计损伤本构模型,该模型可以考虑孔隙体积变化和损伤阀值的影响。此外,提出了一种新的岩石微元强度计算方法。为使模型参数具有明确的物理意义,采用应力~应变曲线峰值点强度确定模型参数m和F0。采用砂岩常规三轴压缩试验对本构模型的合理性进行验证,并在此基础上,分析岩石损伤演化、孔隙率变化规律,探讨围压对模型参数的影响。结果表明,该模型能够较好地反映岩石三轴应力~应变关系。     

岩石动态损伤模拟实验装置的研制

基于爆燃压裂技术原理，研制了岩石动态损伤模拟实验装置。该装置用一重物自由落体撞击岩心夹持器的内活动柱塞，压缩岩心模拟井眼内的流体，产生动态压强作用于岩心模拟井眼壁面，以模拟油井爆燃压裂时爆燃药爆燃所产生的动态压强对井眼附近油层的影响。根据动量和能量守衡原理，建立了岩石动态损伤峰值压力和加压速率计算模型，并通过实验验证了计算模型的准确性，增压值和加压速率的计算值与实验结果的平均相对误差分别为2.56%和4.04%。该装置的研制为动载下的岩石力学特性研究提供了定量研究手段。     

岩石动态损伤模拟实验装置的研制

基于爆燃压裂技术原理,研制了岩石动态损伤模拟实验装置.该装置用一重物自由落体撞击岩心夹持器的内活动柱塞,压缩岩心模拟井眼内的流体,产生动态压强作用于岩心模拟井眼壁面,以模拟油井爆燃压裂时爆燃药爆燃所产生的动态压强对井眼附近油层的影响.根据动量和能量守衡原理,建立了岩石动态损伤峰值压力和加压速率计算模型,并通过实验验证了计算模型的准确性,增压值和加压速率的计算值与实验结果的平均相对误差分别为2.56%和4.04%.该装置的研制为动载下的岩石力学特性研究提供了定量研究手段.     

Monitoring of frozen soil hydrology in macro-scale in the Qinghai-Xizang Plateau

Monitoring of frozen soil hydrology in macro-scale was performed by Chinese and Japanese scientists from 1997 to 1998. Quality measured data were obtained. Measured data on soil moisture and temperature are preliminarily analyzed. Based on profiles of soil temperature and moisture in individual measured sites, intra-annual freezing and melting process of soil is discussed. Maximum frozen and thawed depths and frozen days in various depths are estimated. The work emphasized the spatial distribution on soil temperature and moisture in macro-scale and the effect of topography on conditions of soil water and heat.     

中介尺度活塞式内燃机氢氧燃烧过程的数值模拟

中介尺度条件下的氢氧预混燃烧,其燃烧速率主要由化学反应速度决定。于是采用层流有限速率模型,运用详细氢氧19步基元反应化学动力学机理和动态网格数值方法,对中介尺度准气体动力循环活塞式热力发动机超高燃烧负荷率氢氧预混燃烧过程进行了模拟。研究表明:中介尺度移动边界微小封闭空间的氢氧预混燃烧具有稳定性;采用表面炽热点火形式的中介尺度准气体动力循环的活塞式内燃机,能够实现工质高温吸热、内能增加和对外做功的完整热力学过程;而循环周期、初始压力、相对燃空比等运行参数对移动边界微小封闭空间的氢氧燃烧过程具有复杂的影响。     

单轴加载岩石损伤及声发射特性非均质效应的数值试验

为研究岩石非均质性对其力学特性的影响,运用岩石真实破裂过程分析软件RFPA2D,并采用岩石单轴常位移加载方式,分析不同均质度条件下岩石损伤演化模式和声发射特性.研究结果表明:均质度对岩石力学特性影响显著,随着岩石均质度的增高,岩石单轴加载损伤演化模式由延性向脆性过渡,宏观破裂弥散性降低,岩石峰值强度不断增大,当均质度大于30时,岩石峰值强度基本趋于稳定;岩石均质度较低时,单轴加载条件下岩石声发射体现出强度低、事件频率高的声发射特性,均质度增高时,岩石声发射强度也进一步提高,并且突变性增强.     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Euler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用Hash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。模拟结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对Al4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Eu ler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用H ash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对A l4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

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。