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．     

砂化岩体在开挖干扰下弹塑性损伤数值模拟

以连续介质力学和不可逆热力学为基础,求解砂化岩体损伤演化方程,并将损伤引入到修正的弹塑性本构方程中,提出了适用于砂化岩体的弹塑性损伤三维有限元计算方法.该方法反映砂化岩体在开挖施工干扰下的岩体破坏过程.应用该方法进行数值模拟计算了坪头水电站引水隧道1#竖井开挖过程,分析成果与实际情况较为吻合,验证了该分析方法的合理性,为砂化岩体计算提供了理论依据.     

FLAC^3D在岩石变形局部化数值模拟中的应用

采用FLAC^3D，对试样的尺寸效应、二块体地震模型、五块体地震模型和厚壁圆筒模型进行了变形局部化数值模拟研究。所获得的模拟结果是合理的，可以在一定程度上解释自然灾害中的变形局部化形象。     

单轴受拉状态下混凝土非局部化细观损伤模型

以非局部化理论和随机损伤力学为基础,从细观机制出发考虑断裂和塑性滑移的影响,提出了非局部细观损伤模型.利用残余应力系数反映塑性滑移对损伤细观机制的影响;利用非局部化比例解决层数敏感性问题.结合细观和宏观两个尺度进行损伤本构模型建模,描述混凝土内部的应变发展、损伤演化以及沿受力方向任一高度处的应力-应变关系.基于非局部化比例分析得出的应力-应变关系与实验结果符合较好.     

岩石冲击损伤演化规律数值流形方法模拟

采用应力波衰减损伤模型对仅适用于模拟基于线性本构关系和恒定载荷作用下物体变形规律的数值 流形程序进行了扩展;利用扩展后的程序对岩石长杆在冲击载荷作用下的损伤演化规律进行了模拟,得出了不 同位置点处的损伤演化曲线和材料总体的损伤演化曲线。模拟结果表明,损伤的增加主要集中在冲击载荷作用 的初始阶段,随着时间的推移,应力波强度衰减,损伤将不再明显增加。     

非共轴特性对岩土材料应变局部化行为影响的数值研究

岩土材料的各向异性特征使其在主应力旋转的加载条件下出现主应力和主塑性应变率不共轴的现象,而传统的塑性流动理论默认两者是共轴的,导致无法正确预测应变局部化分叉的开始。另外,基于经典连续体理论的传统本构模型在模拟应变局部化边值问题时,由于没有任何内部长度参数,导致无法反映剪切带的宽度及发展演化。为此,本文建立了一个基于微极理论的非共轴弹塑性本构模型,研究岩土材料非共轴特性对剪切带的萌生、宽度和演化的影响,并与基于经典连续体理论的结果进行比较。发现基于微极理论的非共轴弹塑性模型不仅能够准确预测剪切带的萌生,而且能够很好地描述非共轴特性对剪切带宽度的影响。     

损伤剪切带的稳定状态与路径—大变形非局部化分析

基于非线性几何场论，探讨了有限变形稳定分析中二阶变分的重要性，考虑了Ｍｏｂｒ－Ｃｏｕ。ｏｍｂ退化屈服限及正交流动法则，假定屈服限取决于非局部塑性变以模拟应变软化，弹性量仍由经典局部场确定，计算了砼材料剪切带演化导致的不同破坏型式。结果表明，计算模型对单元网格数具有不敏感性、正确加载路矩和Ｈｉｌｌ的性二阶能量准则相一致。     

冻融循环下混凝土细观结构演化及力学损伤特性研究进展

周期性冻融循环会对季冻区混凝土材料的细观结构产生不可逆损伤,进而劣化其承载能力与耐久性能。混凝土的冻融破坏本质上是内部孔/裂隙等初始缺陷在周期性冻胀力的作用下发生的疲劳损伤累积。因此,开展冻融循环条件下混凝土材料细观结构损伤演化特性的研究对于评估寒区在役混凝土结构的安全性具有重要的意义。围绕冻融循环条件下混凝土细观结构演化及力学损伤特性两个核心内容,针对混凝土细观结构获取与表征技术、混凝土冻融循环室内物理试验与数值模拟方法,以及混凝土力学损伤特性与耐久性评估等方面的研究现状进行了系统的总结与分析。传统的冻融研究主要集中于宏观尺度下混凝土局部损伤演化,从细观尺度入手,研究了冻融循环下混凝土细观结构演化与力学损伤特性,有助于更加深入地了解宏观力学性能与耐久性劣化背后的冻融破坏机制与初始孔/裂隙缺陷扩展-聚并-贯通的发展规律。在此基础上,建立考虑冻融参数的细观结构演化与宏观损伤特性之间的内在联系,实现冻融环境下混凝土材料宏观物理力学特性的准确分析。为寒区工程结构服役期的损伤特性识别、稳定性与耐久性分析提供参考。     

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.     

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.     

具有不同倾角层状结构面岩体中隧道稳定性数值分析

通过引入细观层次的微元体,采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,利用岩石破裂过程分析软件RFPA(realisticfailureprocessanalysis),对具有不同倾角层状软弱结构面岩体中隧道的变形破坏特征、隧道周边关键部位的位移进行了分析·结果表明,层状结构面倾角大小对围岩的破坏失稳模式有显著的影响·随结构面倾角的增大,隧道周边应力分布的非对称性逐渐增强,从而造成了破坏模式的非对称性·结构面倾角增大对边墙的受力有不利影响·这对于进一步深入理解具有软弱结构面中隧道破坏失稳机理并采取有效的加固措施等具有理论和实践意义·     

岩体诱导冒落的数值模拟

采用RFPA分析软件,针对不同回采深度、不同节理分布,并考虑彼此综合作用,模拟了采场顶板的冒落过程.结果表明,采场顶板冒落轨迹近似拱形抛物线,冒落高度大约为开挖推进跨度的40%~60%.通过对比分析,得到以下结论:侧压力越大,开挖步距越大,则冒落高度越小;深埋高应力岩体冒落区形状由抛物线渐变为层状;水平节理岩体的冒落形状由抛物线形渐变成马鞍形;竖向节理冒落呈尖塔形.研究对实现低成本高效率开采、消除地下安全隐患、科学诱导采空区冒落具有理论和工程价值.     

公路岩质边坡稳定性的数值模拟分析

边坡因失稳而发生滑坡灾害会造成严重的人员伤亡和经济损失,为探究岩质边坡失稳破坏机理,进而对边坡进行针对性治理.以贵州省境内某高速公路边坡为研究对象,通过单轴压缩试验分析了该边坡的岩层岩性,并利用真实破坏过程分析方法RFPA2D-SRM对该岩质边坡进行了数值模拟.结果表明:破碎带对边坡稳定性影响显著,支护前后边坡滑移面均...     

地堑和地垒构造对采煤沉陷影响的对比数值试验

为研究地堑和地垒构造对采煤沉陷的影响,建立了仅地质构造形式不同即地堑和地垒,而含煤岩系地层结构及其力学性质完全相同的两个采煤沉陷模型,然后采用东北大学岩石破裂与失稳分析系统RFPA对这两个模型分别进行开采条件相同的数值模拟试验.试验结果表明:在相同的开采强度下,地堑构造形式下的地表下沉幅度小,形成连续的弯曲下沉,但下沉盆地范围较大,采煤沉陷相对较弱,因此,地堑构造具有较强的抗扰动能力;地垒构造形式下的地表下沉幅度较大,易于形成不连续变形如槽型塌陷等,而下沉盆地范围较小,开采时较容易引起地表环境的损害,因此,地垒构造抗扰动能力较弱.图4,表3,参11.     

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.     

含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合数值模拟

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,并引入煤体变形过程中细观单元损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型·应用该模型模拟研究了煤矿开采诱发的煤与瓦斯突出过程、突出前后煤体中瓦斯压力的变化规律以及采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,这对于进一步深入理解煤与瓦斯突出机理、瓦斯抽放作用机制等并采取相应的预防和控制措施等具有重要的理论和实践意义·     

混凝土细观数值试验的随机损伤本构模型

混凝土在细观尺度下是由粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料。目前考虑细观尺度上这三相之间力学性能的不同,已经进行了大量的细观数值试验研究。然而混凝土为典型的多尺度材料,在细观尺度下混凝土各相自身也是非均质的。鉴于此,提出了细观尺度下代表性体积单元(RVE)的随机损伤本构模型,并编制了相应的有限元程序。利用编制的程序,进行了随机骨料模型单轴拉伸和压缩数值试验;并进行了双骨料试件单轴拉伸数值试验。结果表明,该模型虽然结构简单,但能较好地反映混凝土的主要宏观力学行为和细观损伤的产生和演化发展。最后,通过参数敏感性分析,阐明了不同模型参数对混凝土宏观力学特性的影响。该模型可为混凝土细观数值试验研究提供支撑。     

复合顶板巷道围岩变形与破坏特征数值模拟

为了研究复合顶板巷道围岩变形及破坏规律,结合镇城底矿工程实际,应用RFPA分别模拟了一般顶板巷道和复合顶板巷道开挖后围岩的动态变化过程,得出了复合顶板条件下巷道围岩变形和破坏的特征,从而为该矿巷道的支护设计提供科学依据.     

节理岩质边坡变形破坏的RFPA模拟分析

利用基于强度折减法的RFPA-Slope,对节理岩质边坡的稳定性进行了模拟分析,直观地得到了坡体的滑移破坏面,同时求得安全系数·研究了岩体中节理贯通率、几何位置、倾角以及节理间岩桥长度等因素对边坡变形破坏模式、安全系数大小的影响,证明了节理是控制岩质边坡破坏的主要因素·RFPA-Slope对节理岩质边坡破裂过程的模拟对于理解边坡的破坏形成机理具有重要意义,算例的模拟分析说明RFPA-Slope能够较为准确地预测节理边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数,对于复杂的边坡稳定性分析是实用的·     

不同覆岩结构短壁开采上覆岩层运动的数值分析

不同覆岩性质及其组合对上覆岩层的破坏和运动有着关键性的影响,而回采工作面上覆岩层破坏和运动规律的研究是矿压控制的基础.运用RFPA2D对神东矿区不同覆岩结构的短壁式开采进行模拟,分析比较不同覆岩性质及其组合对上覆岩层运动和破坏的影响,再现受采动影响岩体的破坏和移动规律.