基于正交设计的颗粒流模型宏细观参数相关分析——以岩石单轴压缩数值试验为例

分析颗粒流模型中宏细观参数的关系,可为细观参数的匹配提供依据。以平行黏结模型作为基本模型,以单轴压缩数值试验作为宏观参数测试方法,对数值试验进行正交设计,采用多因素方差分析研究细观参数对宏观参数的影响。结果表明:弹性模量E主要受Ec(珔Ec)影响;泊松比γ主要受kn/ks(k珋n/k珋s)影响;单轴抗压强度σn主要受平行黏结强度参数σcn,τcs,SD/Mean影响;μ对宏观强度参数没有显著影响,而对宏观变形参数具有一定影响;RA只对泊松比γ存在一定影响。在此基础上,建立了针对岩石单轴压缩数值试验的细观参数匹配方法。

层状软岩三轴压缩试验数值模拟研究

为探究复杂地质条件下层状软岩隧道围岩力学特性,采用数值模拟的方法对室内三轴压缩力学试验结果进行补充、验证,以探明层状软岩不均匀变形等问题。本研究中三轴压缩数值模拟试验采用遍布节理本构模型,充分模拟层理弱面对岩石强度的削弱作用,采用1∶1完全对称模型,岩石基体参数和节理强度参数主要参照千枚岩室内三轴压缩试验数据以及相关研究,设置91种工况充分模拟自然界岩体0°~90°的层理角度,并记录不同层理角度的三轴抗压强度。研究结果表明,岩石三轴抗压强度各向异性曲线呈“U”形,10,20,30 MPa下强度各向异性曲线类似,层理倾角20°~82°范围内抗压强度先减小后增大,层理倾角50°时岩石三轴抗压强度最小;岩石应力除层理倾角0°和90°外均关于原点不对称分布。岩石三轴抗压强度力学试验实测值与数值模拟值接近,印证室内力学试验参数的正确性,弥补室内力学试验工况数量的不足。

单轴压缩条件下脆性岩石变形破坏的理论、试验与数值模拟

利用损伤力学对脆性岩石在单轴压缩条件下的变形破坏行为进行了理论分析,并利用数值模拟试验机(RFPA)、伺服控制试验系统(RMT 150B)分别对岩石进行了数值及实验室试验,将理论分析曲线、数值试验及实验室试验曲线进行了对比研究,分析了理论结果、数值试验及实验室试验结果之间的联系与差别(尤其是全程应力应变之间的差别)以及产生这些差别的原因,结果表明数值试验并不是理论解析方法的简单重复,而是反映和研究岩石变形破坏全过程的有力手段·

基于单轴压缩试验的岩石损伤力学参数修正及数值模拟

岩石在加载或卸荷过程中,内部微裂纹逐渐扩展和延伸,其力学参数会发生动态劣化,表现出损伤特性。基于岩石单轴压缩试验,从损伤力学的角度出发,利用岩石微元强度服从威布尔分布函数,建立压缩变形过程中损伤变量与累积应变之间的关系。基于FLAC3D平台模拟室内单轴压缩试验过程,利用其内嵌的Fish语言进行二次开发,对岩石力学参数进行动态修正。数值模拟结果表明,经过力学参数修正的计算过程能更好地反映岩石受压过程。

基于三轴压缩数值试验的岩石损伤特性

为研究岩石的损伤特性,基于连续损伤力学理论和岩石微元强度服从Weibull分布函数,利用FLAC3D有限差分数值模拟软件,在围压分别为3,6,10 MPa的情况下,对岩石进行了不同变形参数(E和μ)和强度参数(c和φ)的常规三轴压缩数值试验研究。数值试验结果表明,(1)在加载初期,岩石出现负损伤(压密强化效应),随着轴向应力的增大,割线模量减小,泊松比增大;(2)黏聚力或内摩擦角或围压越大,岩石抗压强度越高,岩石变形过程中的塑性变形阶段越长;(3)损伤起点对应的轴向应变不随强度参数(c和φ)的变化而变化,但随计算初始弹性模量的增大而减小,随围压的增大而增大;(4)泊松比对岩石力学特性和损伤特性影响甚少,可忽略不计。

单轴压缩条件下单裂隙花岗岩力学特性及破坏特征

为研究含贯通单裂隙花岗岩的力学特性及破坏特征,以我国高放废物地质处置甘肃北山预选区完整花岗岩及含倾角30°、45°和60°贯通裂隙的花岗岩为研究对象,开展单轴压缩试验研究.结果表明:裂隙倾角越大,试样的单轴抗压强度、损伤应力以及弹性模量越低;与完整岩石相比,倾角30°、45°和60°裂隙花岗岩的抗压强度分别下降7.97%、29.17%和71.68%,损伤应力分别下降9.35%、24.26%和69.79%,弹性模量分别下降5.89%、23.32%和60.49%.裂隙倾角不同,试样的应力-应变曲线呈现出显著的差别;裂隙倾角越大,损伤应力至峰值应力之间的屈服阶段越明显,发生沿裂隙面滑移破坏特征越显著;裂隙倾角影响花岗岩的破坏模式,试样的破坏形式主要表现为穿裂隙面破坏(倾角30°)、穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移并存的复合破坏(倾角45°)以及沿裂隙面滑移破坏(倾角60°);倾角60°的裂隙花岗岩的抗压强度与试验前后裂隙面的分形维数差符合幂函数增长关系.

岩石单轴压缩试验离散元模拟分析

采用二维离散元程序PFC2D,对岩石试样的单轴压缩试验进行了数值模拟。将数值模拟结果和室内试验实测结果进行了比较,发现颗粒流方法能够较好地模拟室内试验,其结果对研究岩石单轴作用下的破坏机理有一定的应用价值。

三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究

针对含结构面岩石的脆性破坏现象,探讨了三向应力条件下岩体破坏的单结构面控制效应。利用真三轴试验进行验证,系统研究了单结构面岩石试样在模拟工程岩体开挖卸荷与支护应力路径下的力学行为、结构控制规律及声发射(AE)特征等。研究表明,(1)三向应力下单结构面控制效应能够较好地描述工程岩体的结构控制规律和卸荷、支护作用,真三轴试验结果与理论分析较为吻合;(2)开挖卸荷与支护应力路径下,含结构面岩体的破坏模式、卸荷的影响和支护效果等均与应力状态、支护强度及结构面参数有关,可依据结构控制规律,从工程方位布置、提供合理支护等方面采取措施避免岩体发生结构控制破坏;(3)试样的AE活动和能量释放规律与完整试样相似,但结构面的存在降低了试样储能能力,且95%以上的应变能在破坏阶段突然释放。试验研究和结构面控制效应的探讨对地下工程岩体开挖支护有一定的指导意义。

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力–应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。

三轴压缩条件下单裂隙岩石的破坏特性研究

通过在高强硅粉砂浆材料模型中预制特定倾角和特定尺寸的单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究单裂隙试样的破坏特性。试验中观察到3类典型的裂纹,即拉伸型裂纹(Ⅰ型)、滑移型裂纹(Ⅱ型)和撕开型裂纹(Ⅲ型),其中Ⅱ型、Ⅲ型裂纹在三维试验中普遍存在,Ⅰ型裂纹仅在部分试件中观察到;三轴压缩条件下试样的破裂模式有3种,即拉剪复合破坏、"X"型的剪切破坏和沿裂隙面的剪切破坏。试验结果表明:三轴压缩条件下的单裂隙试样的裂隙扩展规律与预制裂隙关系密切,围压是试样宏观破裂模式的主要影响因素,预制裂隙长度主要影响裂隙扩展的规模,预制裂隙倾角则是新裂隙起裂的诱因。

三轴压缩载荷作用下单裂隙扩展的CT实时扫描试验

为研究岩石裂隙在三轴加载作用下的扩展规律,精选出一种与岩石物理力学性质相似的陶瓷制作试件,并在试件中部预置一条圆币状裂隙,进行三轴加载过程中的CT实时扫描试验。采取3种不同区域划分方案,通过对不同层、不同阶段的CT数、CT方差、CT图像的对比分析,获得裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹加速扩展直到试件破坏的整个裂隙扩展过程。试验结果表明,在三轴压缩荷载作用下,裂隙被压密较为明显,翼裂纹扩展缓慢,自相似扩展更大,而且翼裂纹的扩展是从自相似扩展后的边缘开始的。总之,预置裂隙的扩展受围压影响很大,扩展过程相当艰难,试件破坏类似于延性破坏。

陕南泥岩三轴压缩蠕变试验及其数值模拟研究

在对泥岩进行室内三轴流变压缩蠕变试验的基础上,确定了泥岩Burgers流变模型本构方程中的各参数数值,描述了陕南勉宁地区泥岩的流变特征。结果表明:随着荷载的增加,泥岩出现明显的三个阶段的蠕变曲线,试块的总体蠕变量较大。利用FLAC3D软件对三轴压缩蠕变试验(围压1MPa)进行了模拟计算,确定泥岩计算机模拟时的流变计算参数。在此基础上,分别对泥岩不同围压和不同试件形态状态下的三轴压缩蠕变试验进行了数值模拟计算,结果表明:圆柱体试件的应变量数值整体小于立方体试验试件的应变量数值。

岩石材料三轴压缩动力特性的试验研究

应用RDT-1000型岩石高压动力三轴仪,在围压为0～90MPa,轴向应变速率为(10^(-5)～10~1)/s的范围内,对凝灰岩和混凝土进行动力三轴试验,系统研究它们在冲击动力作用下的破坏强度及其力学响应。获得凝灰岩和混凝土在此条件下的破坏判据及如下特性:应变速率和加载速率的对数呈线性关系;破坏强度和变形模量随加载速率的提高而提高;泊松比随加载速率的提高而减少;对破坏性态来说,提高围压或降低加载速率可增加岩石类的塑性,使破坏向塑剪型发展,反之则向脆断型发展。

含结构面岩体三轴压缩试验数值模拟研究

基于现行岩体力学试验方法,建立三轴压缩试验数值模型并辨识模型的可行性。以风滩水电站为背景,对含结构面的岩体进行三轴压缩试验数值模拟,研究了岩体等效弹性模量各向异性的尺寸效应以及岩体结构面倾角、间距等因素对岩体等效弹性模量的影响。采用此法模拟岩体三轴压缩试验求解岩体等效弹性模量,克服了承压板变形试验求解岩体等效弹性模量的理论缺陷,避免了现场岩体三轴试验周期长、代价昂贵等不足,为求解含结构面岩体的宏观力学参数开辟了一条新的途径。

强度极限邻域内岩石单轴蠕变扰动试验研究

为了研究强度极限领域内岩石蠕变对外界扰动的响应规律,选取红砂岩为研究对象,基于RRTS-Ⅲ岩石流变扰动效应试验系统,进行了岩石单轴压缩蠕变扰动试验。试验探究了强度极限邻域内和强度极限邻域外的不同蠕变阶段,外界扰动对岩石蠕变规律的影响。试验结果表明强度极限邻域外岩石蠕变对外界扰动响应不明显,扰动产生的蠕变扰动变形量小且具有可恢复性;随着扰动能量的累积,蠕变变形量减速增长至趋于稳定。强度极限邻域内岩石蠕变对外界扰动响应明显,扰动产生的蠕变扰动变形量剧烈增加且不可恢复,随着扰动能量的累积,蠕变变形量加速增长至试件破坏。

适用于小型岩石试件的三轴压缩试验技术与设备的开发及其应用

为了用有限的岩石试样在室内进行大量的岩石力学试验测试,对直径10 mm、长度20 mm的小型岩石试件进行开发、制作。同时对S.Okubo等(2002)开发的透明围压容器进行改进,其围压可达10 MPa左右。用此改进的试验设备对小型岩石试件进行三轴压缩试验。通过对田下凝灰岩的试验,由小型试件得到的力学参数——黏聚力和内摩擦角,与用常规试件获得的试验结果相一致。而且在载荷速率交替变换的试验中,用一个小型试件就可获得应力–应变曲线的载荷速率相关性。通过对三峡库区周边滑坡地带采集的岩石试样的测试,成功获得不同岩石的强度特性曲线及表示载荷速率相关性的参数。

基于应变软化的岩石三轴抗压强度数值试验研究

利用FLAC3D数值模拟软件,构建了岩石三轴抗压强度试验数值模型。基于应变软化模型,分析研究了矿物弹性模量E、泊松比ν、粘聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ以及加载速率V等对于岩石峰值抗压强度的影响规律。结果表明:(1)初始加压阶段,岩石试件基本无声发射现象的产生;达到峰值强度前,迅速出现声发射现象,声发射次数突然增加,并逐渐至最高值;峰值强度后,基本无声发射产生;(2)三轴压缩试验试件破坏模式主要有单一贯穿性剪切破坏面、四周崩坍性张拉破坏面、X型剪切破坏面。对于不同围压情况,破坏面形态略有变化,但破坏以上述三种为主;(3)随着矿物颗粒弹性模量、加载速率的增加,峰值抗压强度逐渐增加,之间表现出较为明显的多项式函数关系;同时,峰值抗压强度随矿物粘聚力、摩擦角、剪胀角、侧限围压量值的升高而升高,各自之间成较为明显的线性函数关系;(4)岩石矿物泊松比大小变化与试件峰值强度间无较为明显的线性或非线性关系,即泊松比变化对于岩石峰值强度的影响较为复杂。

单轴压缩下单裂隙类岩石强度变形特性分析

以含特定几何参数(长度、倾角)的预制单裂隙类岩石试样为模型,开展了单轴压缩试验,研究了单裂隙试样的强度变形特性。试验中观察到贯穿预制裂隙面的拉伸主裂纹和由预制裂隙尖端或中部萌生的次生裂纹;单轴压缩作用下,试样的破坏模式均为拉伸破坏;当裂隙长度不变时,随着倾角的增大,试样峰值强度先减小后增大,峰值强度最小值对应的倾角逐渐减小;当裂隙倾角不变时,试样峰值随裂隙长度的增大而减小;预制裂隙倾角是新裂纹萌生及扩展的诱因,裂隙长度影响次生裂纹迹线的数目。

粗糙岩石单裂隙非达西流动的试验和数值模拟研究

采用3D雕刻方式制作了一批具有特定粗糙度的砂岩裂隙样品,结合自行设计的可定量调整粗糙岩石单裂隙开度的装置,实现了在试验中对岩石单裂隙试样开度和表面粗糙度的定量化控制。开展一系列不同流量下的渗流试验,研究了平均开度和表面粗糙度对粗糙岩石单裂隙非达西流动的影响。结果表明Forchheimer方程可以准确的描述裂隙中流体流量与压力梯度间的非线性关系。分形维数是表征岩石裂隙表面粗糙度的有效参数,其增大主要导致裂隙的曲折程度增大而使流动路径变得更复杂,从而促进非达西流动的发生。建立了惯性渗透率与平均开度和分形维数之间的经验定量化模型,通过直接求解Navier-Stokes方程来开展三维粗糙单裂隙渗流模拟,验证了所建立模型的准确性和所开展渗流试验的可靠性。粗糙岩石单裂隙的平均开度越小、表面粗糙度越大则所建立的经验定量化模型预测的结果就越精确。

二长花岗岩三轴压缩下声发射特征围压效应的试验研究

岩石材料在受载情况下,发生变形和内部破裂,储存的部分能量以应力波的形式释放出来,产生声发射现象。采用三轴压缩试验和声发射试验,研究玲珑金矿二长花岗岩声发射特征与力学参数之间的关系。结果表明:(1)岩石试样在三轴试验条件下,其声发射特征基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,其中压密阶段在围压对岩石材料的压实作用下没有明显体现出来。(2)通过分析围压对岩石记忆效应的影响得出,在相对低围压水平时,Kaiser效应显著性会随轴向应力水平提高而降低,Felicity效应显著增大;随着围压水平的提高,Kaiser效应显著增大,Felicity效应显著降低。(3)在声发射法测量地应力过程中采用三轴试验更为适合,三轴试验可消除应力环境不同和高应力水平Kaiser效应模糊所引起的误差,使测量值更接近实际岩体所处的应力状态。(4)随着围压水平的提高,岩石的抗压强度随之提高,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征,表现为突然激发出高能量振铃计数率、能量累积迅猛增加,并且伴随没有峰后曲线的岩石突然破裂现象。