单轴压缩过程中冻结砂岩的损伤局部化规律研究

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发射(AE)系统采集试验过程中的表面变形和声发射信号,分析了试样表面应变局部化模式与内部微裂纹扩展类型。结果表明:(1)初始饱和度令试样的单轴抗压强度产生阶段性变化,并改变了试样各加载阶段占比和破裂过程中的声发射振铃计数分布特征;(2)以40%初始饱和度为转折点,试样的表面应变局部化模式由拉应变为主变为剪应变为主,初始饱和度超过90%时出现了拉、剪应变同时发展的混合模式,并能与试样的最终破坏形态对应;(3)损伤局部化过程中,试样内部的微裂纹扩展类型与表面应变局部化模式基本吻合。最后,结合不同初始饱和度下冻结岩石孔隙中的相组成分变化,分析了其对冻结岩石损伤局部化模式的影响。本研究有助于加深研究人员对冻结岩石力学性质的认识,为寒区岩石工程破坏与失稳预测提供重要参考。

冻融循环作用下单裂隙类砂岩局部化损伤效应及端部断裂特性分析

寒区饱水裂隙岩体受反复冻融作用影响,沿裂隙端部出现裂纹萌生、延展、偏转、分叉等现象,造成裂隙端部局部化区域损伤,进而诱发端部断裂造成岩体整体失稳。现采用相似材料配制0°,30°,45°,60°,90°的单裂隙类砂岩试样,并对裂隙内部充分饱水,展开10,20,30,50次冻融循环试验,而后观测裂隙端部区域在不同裂隙倾角、冻融循环次数下局部化损伤效应差异规律。藉此,对裂隙岩体在冻融循环作用下的局部化损伤效应进行分析,并结合断裂力学应力叠加理论,验证了因局部化损伤效应造成的裂隙端部断裂特性及扩展路径规律。结果表明:(1)冻融循环作用下单裂隙岩体存在局部化损伤效应,按照局部区域宏观裂纹发育状况,可将裂隙端部划分为:断裂区、渐进损伤区、系统损伤区;(2)随着裂隙倾角增大,冻融循环过程造成的局部化损伤效应越不显著,对应的声波波速值越大;(3)冻融循环过程中,主要在30°,45°,60°斜裂隙岩体出现主裂纹分叉、偏转现象;(4)裂隙角度愈缓,冻融循环作用造成的主裂纹偏转现象越早产生,偏转方向逐渐趋于水平,且沿初始裂隙走向的延展长度越短;(5)冻融循环引起局部化损伤在上下端部存在差异,裂隙下端部较早发生宏观断裂,且倾角越大,差异现象越明显。研究将为冻融作用下裂隙岩体局部损伤及端部断裂演化规律提供技术参考。

岩石混凝土类材料损伤局部化分叉研究及应用

针对岩石混凝土类材料 ,提出了损伤局部化分叉模型。根据材料发生损伤局部化分叉的充要条件 ,对平面应变和平面应力情况下单轴拉伸、纯剪以及单轴压缩情况下的局部化结果进行了分叉分析 ,并通过数值模拟分析比较 ,说明文中模型是可行的 ,且已应用于拱坝坝踵开裂分析中。

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．

裂隙岩体损伤局部化破坏分岔模型及其应用

采用概率统计方法分析节理裂隙岩体的几何特征,定义了反映裂隙岩体几何特征的组构张量。基于不可逆热力学理论,通过裂纹扩展的细观分析,得出了损伤的发展机理和演化方程,把损伤演化和裂隙的几何特征的变化联系起来,建立了弹塑性损伤本构关系。为分析含有节理裂隙岩体在发生局部化破坏时的特征,通过对发生局部化时的裂隙岩体的分析,构造了适用于节理裂隙岩体局部化分析的不连续分岔模型。利用非线性规划数值解法,可以得出局部化破坏的方向特征。在有限元方法中,根据该模型给出了节理裂隙岩体相关的算例,分析表明该模型用于分析裂隙岩体的局部化破坏是有效的。

基于应变梯度的损伤局部化研究及应用

提出一种包含应变梯度项的损伤力学模型,并将其应用于材料的局部化损伤模拟预测中．有限元实现中使用C1连续高精度单元以保证包含应变梯度的影响．简单规则矩形网格情况下将结点处有限差分应变梯度结果与有限元方法结合,可避免对传统有限元程序作较大改动,同时能在不降低精度情况下提高计算效率．计算表明该梯度损伤模型可较好避免有限元在局部化模拟时的网格依赖性,预测出的局部化损伤与实际破坏情况非常相近．

裂隙岩体损伤局部化分析

裂隙岩体损伤局部化与裂隙扩展状态密切相关,裂隙扩展到一定长度后裂隙的扩展状态发生分叉,一部分裂隙继续扩展,另一部分裂隙停止扩展。裂隙岩体损伤局部化是由裂隙扩展状态分叉产生的,损伤局部化起始位置也取决于裂隙扩展状态。通过对多裂隙扩展状态的分叉分析,得到了含矩形分布裂隙岩体损伤局部化弯折裂纹临界扩展长度及临界应力。根据系数矩阵的特征值与特征向量,确定了裂隙岩体损伤局部化的位置,而且考虑了裂隙之间的相互作用。最后,通过算例分析得到了裂隙岩体损伤局部化临界应力与裂隙列间距、行间距、围压和原生裂隙倾角的关系。

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石损伤局部化和应力应变关系分析

岩石在拉应力状态下的力学特性不同于压应力状态下的力学特性.利用细观力学理论研究了细观非均匀性岩石拉伸应力应变关系包括:线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降阶段、应变软化阶段.模型考虑了微裂纹方位角为Weibull分布和微裂纹长度的分布密度函数为Rayleigh函数时对损伤局部化和应力应变关系的影响,分析了产生应力降和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化.通过和实验成果对比分析验证了模型的正确性和有效性.

压应力状态下细观非均匀性岩石的损伤局部化和应力应变关系分析

利用摩擦弯折裂纹模型研究了受压条件下细观非均匀性岩石的损伤局部化问题和全过程应力应变关系.模型考虑了裂纹相互作用对损伤局部化和全过程应力应变关系的影响,确定了损伤局部化发生的条件,分析了产生损伤局部化的原因.研究表明全过程应力应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降和应变软化阶段.通过和实验对比分析验证了模型的正确性和有效性.

采空区覆岩介质局部化变形特征

基于声发射(Aoustic Eission,AE)的物理相似模拟实验,对采空区覆岩局部化损伤、变形及演化特征进行了分析.在不同的开采扰动下,采空区围岩介质受扰动剧烈程度不同,其初始损伤与破裂AE密集程度也不同,其特征参数大事件、总事件和能率随时间-空间演化呈波动趋势,并存在一定的统计关系;同时定义了损伤程度百分比,并将其分为4个阶段进行了分析,尤其是在Stage-4阶段,损伤程度百分比最大值达到83.3%,表明围岩损伤剧烈.

非贯通节理介质损伤演化分形特征分析

利用CT识别技术对非贯通节理试样的单轴加载全过程进行即时扫描。根据不同应力水平下损伤区域CT图像像素点数的多少,计算分形维数,以此表征损伤程度,并建立不同裂隙倾角下分形维数与应力水平的关系式;提出了损伤局部化参数,分析了分维数与损伤局部化的关系,并通过分维数来反映损伤的局部化程度。

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.

考虑损伤局部性的疲劳损伤研究

从损伤局部性概念出发，讨论了均匀应力应变场中几种重要的局部损伤模型。

冻融循环作用下含天然损伤砂岩破坏过程的数值试验研究

裂隙、孔隙等天然损伤使得岩石细观结构呈现强烈的非均质性,对其破坏过程及模式产生重要影响。本文根据CT无损识别技术,结合数字图像处理技术和CASRock数值模拟软件,开展了含天然损伤的冻融砂岩劈裂破坏的数值试验研究。对含天然损伤的冻融砂岩劈裂破坏模式、变形局部化及裂纹演化过程等分析,揭示了含天然损伤砂岩在冻融和荷载作用下的破坏机制。研究结果表明:砂岩内原生孔隙(裂纹)的扩展及新生孔隙的生成是冻融岩石破坏演化的主要形式。冻融和荷载作用下含天然损伤岩石的破坏与天然损伤程度及分布有关。次生裂纹的生成多发生于天然损伤密集区域。在加载过程中,局部化损伤区应力远远大于砂岩整体应力,局部化损伤区岩石的破坏与该区域能量释放和应力释放具有同步性。局部化损伤反映岩石中裂纹的演化,有助于预测砂岩裂纹发展的方向。岩石的破坏模式与冻融循环次数有关,冻融循环促使含天然损伤砂岩逐渐由脆性破坏转化为延性破坏,冻融作用对岩石整体强度的改变是逐渐劣化的过程。

Ⅰ阶梯度损伤理论

从热力学基本定律出发,将应变张量、标量损伤变量、损伤梯度作为Helmholtz自由能函数的状态变量,利用本构泛函展开法在自然状态附近作自由能函数的Taylor展开,未引入附加假设,推导出Ⅰ阶梯度损伤本构方程的一般形式.该形式在损伤为0时可退化为线弹性应力-应变本构方程,在损伤梯度为0时可退化为基于应变等效假设给出的线弹性局部损伤本构方程.一维解析解表明,随着应力增大,损伤场逐步由空间非周期解变为关于空间的类周期解,类周期解的峰值区域形成局部化带.局部化带内的损伤变量将不同于局部化带外的损伤变量,由此可以反映出介质的局部化特征.损伤局部化并不是与损伤同时发生,而是在损伤发生后逐渐显现出来,模型的局部化机制开始启动;损伤局部化的宽度同内部特征长度成正比.

考虑损伤的修正梯度弹性理论

梯度弹性理论在描述材料微结构起主导作用的力学行为时具有显著优势,将其与损伤理论相结合,可在材料破坏研究中考虑微结构的影响.基于修正梯度弹性理论,将应变张量、应变梯度张量和损伤变量作为Helmholtz自由能函数的状态变量,并在自然状态附近对自由能函数作Taylor展开,进而由热力学基本定律,推导出修正梯度弹性损伤理论本构方程的一般形式.编制有限元程序,模拟土样损伤局部化带的发展演化过程.结果表明,修正梯度弹性损伤理论消除了网格依赖性;损伤局部化带不是与损伤同时发生,而是在损伤发展到一定程度后再逐渐显现出来.

三维可加载条件下工作面围岩局部变形规律

以苇湖梁煤矿+579E2EB1+2急倾斜特厚综放开采工作面为典型物理原型,系统的进行大型三维立体相似模拟实验,同时利用数字化声发射技术(acoustic em ission,AE)对局部化过程中的动态力学响应参数及其与之对应的微结构演化过程进行实时追踪,从宏观与微观角度揭示不同开采条件下煤岩复合围岩介质局部化变形—演化—失稳规律,为开采扰动区衍生动力学灾变行为预报和控制研究提供线索。

基于岩体损伤破坏岩爆启动起电规律研究

岩体变形破裂产生自由电荷过程对于岩爆机理研究具有重要的意义。采用理论分析和试验研究相结合的方法,建立了岩体损伤破坏力-电耦合理论模型,为室内岩体电荷感应试验提供了理论基础。选取花岗岩、砂岩、泥岩标准试件进行等围压三轴加载试验,研究了三种岩石岩爆启动过程电荷感应规律。试验结果表明:岩体弹性变形阶段电荷信号稳定,岩爆启动后岩体变形破坏导致损伤局部化,该过程监测到大量脉冲状电荷信号,同种岩体随着围压的升高电荷信号强度增强,不同岩体电荷感应规律明显不同,岩爆启动后三类岩石电荷信号分别表现出不同特征。总结出岩爆启动过程自由电荷产生机理,由此提出了接触剥离、压电、摩擦、破裂四种岩爆过程起电方式。

基于CT扫描的混凝土三维细观数值模拟

利用CT对混凝土试件进行扫描,借助MIMICS软件对扫描图像进行三维重构,得到了混凝土三维几何模型;对不同配合比的混凝土与水泥砂浆试件进行了力学试验,得到了数值模型的力学参数;基于所得混凝土三维数值试件参数,在ABAQUS软件中利用塑性损伤模型模拟了混凝土三维数值试件的单轴拉、压加载过程,并将数值模拟结果与试验结果进行了比较。结果表明:该三维数值模型具有合理性。