围压效应对钙泥质胶结砂岩强度和变形的影响

针对西部地区侏罗系砂岩成岩年代新、胶结程度较差,以及煤矿高强度开采的特点,开展恒定围压下三轴压缩实验,不同速率卸围压,以及单块多级加载实验,研究围压路径变化效应对钙泥质胶结砂岩强度和变形特征的影响.实验表明:西部中粒砂岩峰值强度、残余强度、峰值应变、弹性模量、泊松比等力学参数均对围压依赖性较强,且由于其钙泥质胶结的细观特性使其黏聚力、内摩擦角相比其他地区、其他年代的砂岩较低.随着围压的增大,试件由简单平整破裂面向复杂非平整多破裂面破裂模式转化.变围压加载过程中,围压的变化对砂岩的承载能力和变性特征影响显著,围压主要通过束缚试件横向变形和裂纹扩展,以及增大内部摩擦的方式影响岩体的力学特征,围压卸载和加载对岩体力学参数的影响规律可为采场推进速度优化和围岩支护分析提供一定的参考.     

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。     

大岗山坝区辉绿岩卸围压三轴流变试验及分析

为研究硬脆性岩体的卸荷流变力学特性,以大岗山水电站坝区为依托,经过现场采样取芯,采用三轴流变试验机,开展硬脆性辉绿岩不同应力路径下的三轴流变试验研究。研究结果表明:卸荷流变和加载流变都存在门槛效应;加载流变破坏的侧向应变为轴向应变的2~3倍,卸荷流变破坏时为1~7倍;加载流变破坏形态主要为剪切破坏,而卸荷流变破坏形态主要为劈裂破坏;轴向应力σ1恒定卸围压流变时岩样表现出的脆性比偏应力(σ1-σ3)恒定卸围压流变更为剧烈;二者的流变破坏破坏强度均比常规三轴强度低。     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

基于LS-DYNA模拟碰撞诱发的裂纹扩展

以限位装置这一实例为研究对象,基于LS-DYNA有限元软件,根据材料的结构特性,选择了分段线性塑性材料模型,进而模拟了运动物体与限位装置碰撞产生的裂纹扩展路径.分析了不同裂纹角度、裂纹深度、失效应变以及冲击速度等4种工况下的裂纹扩展规律.研究结果表明针对本研究的限位装置,冲击速度和裂纹角度对裂纹扩展路径影响较大,而裂纹深度和失效应变对裂纹扩展路径影响较小.     

基于压缩载荷下微裂纹扩展的微观力学岩石弹塑性损伤模型研究

建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制弹塑性损伤模型的程序。分析弹塑性损伤模型的基本特性和围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。以2个单轴压缩岩石试验为例验证该模型。结果表明:所提出的弹塑性损伤模型与数值和试验结果比较吻合。     

基于颗粒流的大理岩三轴循环加卸载细观损伤特性分析

利用颗粒流程序(PFC)并基于大理岩常规三轴压缩室内试验结果得到一组能够真实反映大理岩宏观力学特性的细观参数,在此基础上进行大理岩三轴循环加卸载试验模拟,研究岩样在循环加卸载作用下的细观损伤特性。研究结果表明:试样内部接触力和平行黏结力在损伤部位产生应力集中,当接触力增大到平行黏结力承载极限时,颗粒间黏结断裂,产生微裂纹;微裂纹数目随应变发展呈阶梯状增加,且在加载初期有良好的"记忆"行为,然后逐渐削弱;微裂纹在加载初期随机分布,然后有序聚集并扩展贯通,加载至峰值附近时形成剪切带;在应变软化阶段反复加载使剪切带扩展贯通形成宏观破裂面,残余强度阶段的裂隙主要由宏观破裂面间的摩擦、滑移产生。     

阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统”,进行固定瓦斯压力及不同围压和循环载荷情况下突出煤煤样变形渗透特性试验研究。结果表明：加载路径对煤样的力学特性影响显著,循环载荷试验和全应力应变曲线总体趋势相同,循环荷载作用下煤样的峰值应力比全应力应变的低;煤样在周期性循环荷载作用下的卸载应力应变曲线与加载应力应变曲线不相重合,形成封闭的滞回环。渗透率与煤样的损伤变形进程密切相关,在循环荷载下,渗透率在卸载过程中逐渐增大,加载过程中逐渐减小;卸载时渗透率应变曲线和加载时渗透率应变曲线会围成封闭环,与煤样的轴向应力应变封闭滞回环相对应,其所围面积随着围压和应力水平增加而减小。     

层理黄砂岩三轴循环加卸载力学特性模拟研究

层理黄砂岩为隧道工程建设中常见的一种岩石，隧道开挖及后期运行导致围岩长期处于循环荷载作用下.为了探究层理黄砂岩循环加卸载损伤破裂特征，借助PFC^2D开展了不同围压不同倾角层理黄砂岩常规三轴循环加卸载研究，分析了应力-应变曲线及损伤破裂过程，得到1组可以反映层理黄砂岩常规三轴压缩力学特征的细观参数，数值试样强度及破裂特征与室内试验结果吻合较好.数值模拟循环加卸载应力-应变曲线可以一定程度上反映力学行为，同时循环加卸载曲线和单调加载曲线变化形态吻合较好.不同倾角层理砂岩循环荷载下试样破裂特征不同，当α=0°时试样发生贯穿基质的剪切破坏，循环荷载与单调加载破裂特征相似.而当α=60°时，层理发生剪切破坏，并伴随层理两侧基质的破坏，循环荷载相对于单调加载裂纹宽度有所增加.     

循环荷载作用下海洋软土动力特性数值模拟研究

在海浪长期循环冲击的作用下,海洋土体材料的力学特性和变形机制往往与静荷载作用下的不同.基于典型海洋土物理及力学特性试验,运用离散元方法建立数值模型,标定土体细观参数,进行直接剪切数值试验和双轴压缩循环加卸载数值试验.研究结果表明:循环加载初期,试样的主要位移形式呈中心对称形态,最大位移发生在试样的4个棱角处,随着循环加载次数增加,试样的位移由竖向的中心轴线向两侧扩展;在循环单剪试验中,随着循环幅值的不断增大,滞回圈不断变大,塑性应变不断累积,在剪切位移只有1 mm时,能量损失较小,试样的变形基本属于弹性变形,随着剪切位移的增加,试样的塑性变形增加,能量损失增加;发生X型剪切破坏时,试样内部沿着120°方向的裂纹带发生错动,在低围压的情况下,试样X型剪切错动现象更显著,试样的剪胀效应更明显.随着围压增加,试样的剪切强度上升,试样的破坏应变减小.研究成果可为海洋软土力学特性研究提供参考.     

不同加载路径下盐岩蠕变特性试验

为了研究加载路径对盐岩蠕变特性的影响,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了3种不同加载路径的蠕变试验,分析了盐岩在不同加载路径下的蠕变变形规律。结果表明,在恒围压、分级增加轴压加载路径下,随着轴向应力增加,盐岩瞬时应变、蠕变应变和蠕变速率均逐渐增大,衰减蠕变阶段持续的时间也逐渐延长;在恒轴压、分级卸围压加载路径下,当围压小于某个特定值时,围压的变化对盐岩蠕变特性产生一定的影响,当围压高于该值时,盐岩的蠕变特性似乎与围压无关,且从试验结果来看,该值应在4 MPa以上;在恒轴压、循环围压加载路径下,围压及其循环周期对盐岩蠕变特性的影响非常大,降围压阶段盐岩蠕变速率明显高于升围压阶段,且围压循环周期越小,降围压阶段蠕变速率与升围压阶段蠕变速率的比值越大,周期越大,该比值越小。     

宏细观结合各向异性砂土的变形特性模拟

采用宏细观结合的方法建立本构模型对各向异性砂土的变形特性进行模拟.该方法用组构张量定义了一新的各向异性状态变量,考虑该变量对临界状态线的影响建立各向异性模型.引入状态变量后,模型的临界状态面和其他状态面都随各向异性程度的不同而偏离静水压力轴,临界状态方程、硬化准则和剪胀方程都是孔隙比、围压、加载模式和各向异性变量的函数,模型用一组参数可以描述不同围压和密度的砂土各向异性强度-变形的力学响应.通过对各向异性砂的强度和含细观特性分析的试验变形模拟,初步验证了模型的合理性.     

基于统计损伤理论的混凝土双轴拉-压本构模型研究

基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,本文建立了混凝土双轴拉-压细观统计损伤本构模型.该模型考虑断裂、屈服两种细观拉损伤模式,损伤演化过程由主方向的拉、压应变驱动.将单轴拉伸、单轴压缩作为两种最基本的宏观破坏形式,复杂应力状态下的损伤破坏过程理解为单轴拉伸、压缩损伤演化过程的某种组合形式.引入等效传递拉损伤应变和损伤影响参数,建立宏观拉、压破坏模式对应细观损伤机制之间的等效关系.通过与试验结果比较,表明该模型能够很好地模拟双轴拉-压加载情况下材料均匀损伤阶段的力学行为.对双轴拉-压比例加载路径下应力-应变曲线进行预测,提取出双轴拉压强度包络线,从双轴强度、变形特性、破坏形态等角度对材料的双轴拉-压损伤机制进行探讨.     

应用细观力学与扩展有限元法数值模拟钻柱损伤

钻井过程中,钻柱承受着拉扭等多种交变载荷的作用,其损伤机理一直是力学界深入研究的课题.笔者首先根据细观力学分析的基本原理,采用Abaqus软件的脚本语言Python建立细观尺度下晶粒分布模型,然后采用断裂力学算法——扩展有限元法对含有微裂纹的细观尺度下晶粒模型进行计算,分析裂纹的动态扩展过程以及相应的应力应变分布特征,最后根据细观力学中“均匀化”方法对不同时刻的应力应变进行处理,得到微裂纹扩展对钻杆材料宏观性能的影响.在宏观尺度下处于弹性阶段的钻杆材料,在细观尺度下仍会出现塑性区,且在微裂纹不扩展的情况下,弹性模量是恒定的.文章提出的思路为深入探索钻柱材料断裂机理提供了新的方法.     

基于细观处理的矿物含量和分布对页岩脆性的影响——以鄂尔多斯盆地延长组7段页岩为例

页岩的脆性研究涉及多尺度,为从细观尺度揭示矿物组分含量和分布形式对页岩脆性的影响规律,对页岩矿物组分进行细观处理并分类,应用COMSOL有限元分析软件,建立页岩细观数值模型,通过模拟加载围压和轴压处理为平面应力问题,并结合室内力学实验,从细观尺度对页岩脆性破坏机理进行探究。结果表明：①页岩受力后沿层理方向分布的次生微裂隙群不断发生挤压、起裂、扩张、贯通,最终导致宏观上的脆性损伤破坏;②碎屑矿物、碳酸盐岩矿物含量增加显著增强页岩的脆性,黏土矿物含量增加弱化了页岩的脆性;③矿物呈斜带状或块状分布时,不同矿物之间弱接触面上出现了明显的应力突变,当矿物呈无序随机分布时,应力集中区域呈零散分布。研究结果从宏-细观尺度明确了影响页岩发生脆性破坏的关键因素,为遴选射孔改造层段和设计储层压裂规模提供了理论依据。     

脆性材料在双向应力下阻力特性数值模拟

应用一个材料失效分析模拟软件MFPA2D模拟了玻璃在平面双向应力下不同破坏失稳过程,重点研究了平行于裂纹面的应力对脆性材料临界断裂参数的影响,运用数值模拟和试验及理论分析相结合的方法,阐明脆性材料在双向和单向应力下断裂参数的区别等问题.研究结果证明,双向应力对断裂韧性有明显影响,平行于裂纹面的拉应力对裂纹扩展有抑制作用,压应力对裂纹扩展有促进作用.因此,线弹性材料在双向荷载作用下,传统的应力强度因子准则不适用,裂纹扩展由裂纹尖端应变决定,即双向应力下裂纹扩展具有应变依赖性.     

板岩流变特性试验与模型辨识

针对江西武吉高速公路隧道的Ⅱ～Ⅴ级围岩,通过分级增量循环加卸载试验、剪切流变试验和双轴压缩流变试验研究围岩的流变特性,并对模型进行辨识.试验结果表明Ⅱ～Ⅳ级围岩具有过渡蠕变和定常蠕变过程,表现为脆性破坏;Ⅴ级围岩则具有过渡蠕变、定常蠕变和加速蠕变过程,表现为塑性破坏.通过模型辨识,采用广义Kelvin模型模拟Ⅱ～Ⅳ级围岩,采用非线性流变元件NRC模型与西原模型的串联模型模拟Ⅴ级围岩,可较好模拟围岩流变特性;同时得到与应力水平有关的围岩流变力学参数.模型辨识的方法可应用于板岩以外的其他岩石.     

角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

围压卸载速率对砂岩力学性质影响数值试验研究

【目的】为了排除天然岩石试件离散性与试验过程多种应力路径相互转换对试验结果的叠加影响，进一步探讨围压卸载速率对岩石破坏失稳的影响机理。【方法】利用离散元法开展均质数值试件在恒定轴压与两种固定围压卸载速率条件的数值试验研究，对比与讨论了两种围压卸载速率下的试件宏观与细观力学特性与规律。【结果】结果表明：两种条件下，宏观和细观破裂分布具有一定相似性和规律性，慢速围压卸荷条件较快速条件的试件承载强度更高，快速卸荷条件局部破裂分布密度相对更大。两种卸载速率试验过程出现轴压和围压的“跌落”和“上升”,反映试件经历了多阶段突发式渐进破坏过程，因局部破坏不断累积导致试件向整体失稳方向发展。两种卸载速率条件下的张拉破裂数量显著大于剪切破裂数量，张拉破裂增长速率大于剪切破裂，试件表现为张拉破坏为主，快速卸载条件破裂总数量相对更大。慢速卸载条件相对充分地调动了试件局部承载能力，使试件极限承载能力有所提高。【结论】两种条件下，20次以上声发射事件构成的裂纹分布程度最不均一，随着组成每条裂纹的声发射事件数增加，震级整体逐渐增大，快速卸荷形成裂纹过程总体释放能量相对更高，而慢速卸荷以相对较慢的速率传递应力，使裂...     

基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型

在分析裂纹起裂与扩展规律基础上,考虑翼裂纹间的相互作用,提出了一种新的翼裂纹尖端I型应力强度因子计算模型.基于修正的翼裂纹扩展模型,考虑损伤演化对被激活微裂纹数目的影响,并结合宏-细观损伤定义之间的关系,建立了基于微裂纹扩展作用下的岩石损伤本构模型.最后,将理论模型曲线与试验曲线进行了比较分析.结果表明:修正的翼裂纹扩展模型不仅能够准确地预测翼裂纹的起裂角,而且能够准确地模拟从极短到很长的翼裂纹整个变化范围.基于裂纹扩展作用下的损伤模型能够连续地模拟不同围压下的应力-应变全过程曲线,而且能够较好地预测峰值强度.