深部硬岩脆-延性转化行为的细观损伤模型

既有试验研究表明,在压缩荷载作用下,围压对低孔隙率硬岩的强度、破坏模式、剪胀性等具有重要影响。在围压不断增大的条件下,硬岩的破坏特性将呈现由脆性向延性转变的趋势。本文基于细观力学方法分析硬岩的脆-延性破坏机理,探究脆-延性转化过程中非弹性变形、损伤与围压的定量关系,继而构建细观损伤力学模型以描述深部硬岩在不同压缩荷载作用下的脆-延性转化力学行为。为了验证所构建模型的合理性和有效性,通过UMAT子程序将其嵌入有限元软件Abaqus模拟低孔隙率砂岩(围压10~120 MPa)和Tavel石灰岩(围压10~150 MPa)在常规三轴加载下的力学行为。对比发现,数值模拟结果与试验数据具有较好的一致性,说明细观损伤力学模型能够较好地捕捉硬岩随着围压增加表现出的从脆性到延性转化的力学特性,也初步表明基于细观力学的分析方法可以为解译深部岩石的力学行为提供理论支撑。

准脆性岩石水力耦合不排水多尺度本构模型

以水-力耦合条件下准脆性岩石的损伤行为为研究对象,充分考虑材料的细观特征及其演化规律,结合Mori-Tanaka线性均匀化方法和不可逆热动力学理论建立了在不排水条件下水-力耦合损伤多尺度本构模型。基于小扰动假定,通过水-力耦合分析,推导了不排水常规三轴试验条件下多尺度模型的强度的解析表达式。通过模拟不同围压下砂岩的三轴压缩不排水试验,验证了模型的有效性,并分析了岩石在损伤演化过程中应力应变曲线和孔隙水压力的演化规律。

硬脆性岩石多尺度损伤蠕变模型及长期强度研究

从损伤累积角度,考虑在应力溶蚀作用下微裂纹的亚临界扩展,在硬脆性岩石多尺度摩擦损伤耦合力学模型的基础上,探究细观时效损伤的演化规律。在摩擦准则中引入时效损伤变量,构建合适的时效损伤演化准则,进而推导宏观非弹性应变和细观损伤之间的定量关系,建立可完整反映硬脆性岩石蠕变曲线三阶段特征的多尺度损伤蠕变本构模型。以裂纹损伤应力作为反映硬脆性岩石长期强度的指标,结合摩擦损伤耦合分析和细观时效损伤演化规律研究,获得硬脆性岩石长期强度的解析表达式和模型参数的跨尺度标定方法。运用提出的多尺度损伤蠕变模型模拟向家坝砂岩的三轴压缩蠕变试验,验证模型的准确性和有效性。研究结果表明:提出的蠕变模型不仅完整地描述了不同应力水平下硬脆性岩石各阶段的蠕变特征,而且充分考虑了应变历史对时效损伤的影响。此外,长期强度的解析表达式也为蠕变试验荷载的分级提供理论依据。

脆性砂岩预制裂隙扩展破坏过程试验研究

采用CSS-3940YJ岩石力学试验机,开展单轴压缩条件下岩石预制裂隙扩展破坏过程试验.基于全程变形曲线的试验结果,分析了裂隙倾角对岩石变形、强度、裂隙扩展破坏方式的影响规律.研究结果表明,与完整岩样相比,预制裂隙砂岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度随着预制裂隙倾角的增大而减小;岩样宏观破坏模式主要呈现出拉破坏、剪破坏和混合破坏3种,且随着倾角的增加逐渐由剪向拉破坏过渡.值得指出的是:由于在加载过程中预制裂隙两端处于应力集中状态,导致在预制裂隙两端会首先萌生出垂直于裂隙的翼型裂纹,并沿着加载力方向向岩样两端发展,随后在预制裂隙两端会产生反翼型裂纹和次生共面剪切裂纹,裂隙倾角越小产生的次生裂纹数目越多,岩样的贯通破坏模式就会越复杂.

岩石类材料裂纹扩展贯通的近场动力学方法模拟

在连续体内引入预制裂纹的数学描述,运用近场动力学方法对含有预制裂隙(不同倾角的单裂缝和不同岩桥倾角的三裂缝)的岩石类材料试件的单轴压缩试验进行数值模拟。结果表明,随着裂缝倾角的增加,翼型裂纹出现的位置逐渐向预制裂隙的两端移动,次生共面剪切裂纹与次生倾斜裂纹出现的时间与形态也随之改变;不同倾角的岩桥呈现的断裂贯通形式有着明显的差异,但裂纹均是在预制裂缝尖端首先产生,随后逐渐扩展贯通,最终导致试件的整体失稳破坏。数值模拟与室内试验结果的对比分析表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石类材料的裂纹扩展贯通形态,反映裂隙扩展的基本力学机制;作为一种新的非局部数值模型,其在岩石材料与岩体工程数值研究领域具有广阔的应用前景。

基于增量变分理论的多孔岩石多尺度弹塑性本构模型

为考虑多孔岩石在荷载作用下细观(局部)非均匀的应力场和应变场对其宏观力学特性的影响,提出一种基于增量变分理论的多尺度弹塑性本构模型。首先将多孔岩石看作由压敏性固体基质和球形孔隙组成的复合材料,给出多孔岩石的增量变分理论;其次假设固体基质的局部力学行为服从具有阈值和各向同性硬化的抛物型Mises-Schleicher塑性模型,推导固体基质的局部增量势和多孔岩石的有效增量势,通过对有效增量势进行优化求解并结合Mori-Tanaka均匀化方法获得多孔岩石的宏观应力-应变关系;最后在传统回映算法基础上发展多尺度模型的数值算法,并编制UMAT子程序将多尺度模型嵌入Abaqus软件。将多尺度模型模拟结果和有限元单胞模拟结果(参考解)以及Vosges砂岩试验结果进行对比,验证多尺度模型的准确性和有效性。研究表明,基于增量变分理论的多尺度模型数值解与有限元参考解有很好的一致性,能够准确地再现Vosges砂岩的宏观力学行为。

Shao-Zhu-Su岩石流变模型的快速显式积分算法及比较研究

基于对Shao-Zhu-Su岩石力学流变模型及其数值算法的分析,发现传统积分算法在处理流变卷积方程时存在变量存储量大和计算效率低的缺点。运用数学变换和Taylor展开提出2种显式积分算法,即非线性显式积分算法(NEIA)和线性显式积分算法(LEIA)。通过蠕变和松弛数值试验对新算法进行验证和比较。提出的显式积分算法变量存储量较少,且避免与加载历史有关的累积求和运算,从而明显提高计算效率,使得此类内时流变模型更适合于大型岩体结构分析。需要指出的是,建议的数值积分方法也可用于其他积分型流变模型的数值处理。