基于Weibull分布的高温高围压岩石统计损伤本构模型

深部岩石通常处于高温及高围压环境中,深入研究深部岩石的本构关系对于深地矿产资源的开采、地热的高效利用以及岩体的稳定性分析等具有重要的理论和现实意义。为研究岩石在不同温度和围压作用下的静态三轴压缩破坏全过程本构关系,基于宏观唯象损伤力学的概念,从岩石的弹性模量随着温度变化的角度出发,得到了岩石在温度作用下的损伤表达式;又基于Weibull分布和修正的Mohr-Coulomb强度准则,将岩石细观均匀化,并结合统计损伤理论,得到了岩石在轴向压力作用下的统计损伤表达式;然后根据推广的应变等价性原理将两部分损伤耦合,得到了岩石在高温及轴压力作用下的岩石耦合损伤表达式。将所得的耦合损伤表达式结合考虑岩石残余应力的Lemaitre应变等价性假说以及有效应力原理,同时考虑岩石内部裂纹起裂阈值的影响,将本构模型分为阈值应变之前和阈值应变之后两部分,得到了一种分段函数形式的可反映高温及高围压影响的岩石统计损伤本构模型。为验证模型的适用性和准确性,分别将岩石在温度为25、200、400、600、800、1000℃和围压为0、10、20、30、40 MPa情况下的模型本构曲线与试验本构曲线进行了对比验证,对比结果较好,可以反映出岩石存在临界温度。在围压一定时,随着温度的升高,岩石的强度先增大后减小;在温度一定时,随着围压的升高,岩石的延性逐渐增强。

考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型

为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征,基于水岩作用的化学动力学理论,定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子,将弹性体,非线性Kelvin体,线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联,并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况,建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型,通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证,并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程,探讨中间主应力对蠕变模型的影响.结果表明,推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性,验证了其合理性与准确性.

一种岩石损伤本构模型在地下强爆炸中的应用

为了描述地下爆炸波的传播,建立了一种考虑塑性硬化、剪胀和损伤软化效应的岩石本构模型,并应用于地下强爆炸自由场的数值计算,获得的速度和位移波形以及峰值速度衰减曲线等与国外地下试验测量数据和同类计算相比十分接近,从而验证了本构模型的有效性。

饱和、非饱和岩石损伤统计本构模型探讨

基于统计理论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤特征进行了探讨,建立了弹性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力,并能反映岩石剩余强度。在混合物理论基础上,建立了饱和、非饱和岩石损伤软化统计本构模型。该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力-应变曲线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力-应变关系所起的作用。与试验结果的比较显示模型是合理的。

三维应力状态下岩石损伤破坏的卸荷效应

利用连续介质损伤力学方法,通过岩石微元体强度的Weibull统计分布和库仑准则假定,建立了一个简明的岩石三维各向同性损伤模型及弹脆性本构方程.探讨了岩石试样试验的应力-应变全过程特征、损伤演化规律、岩石试样加载的围压效应以及卸荷破坏下强度及脆化特征,理论与试验结果表明,卸载破坏比加载破坏表现得更为脆性、更突然.

地下岩石中爆炸波的传播和相互作用

本文采用二维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分程序对岩石中爆炸波的传播和相互作用进行了数值模拟计算，给出了多个药包同时起爆时岩石应力波相互作用的基本图象。岩石的本构关系采用帽盖模型，这种模型能反映岩在静水压力下塑性体积变形和硬化的力学特性。

考虑岩石疲劳损伤的空气冲旋钻井破岩数值模拟研究

以川东北PGP-X井为研究对象,对2 140～4 914 m地层进行分段采样,运用静态试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对采样岩石进行动、静态力学性能室内试验。利用LS-DYNA建立空气冲旋钻井活塞–钻头–岩石相互作用系统模型,仿真模型中岩石采用H-J-C动态本构,为考虑冲击载荷往复加载对岩石造成的损伤积累,在每次冲击后,对井底岩石进行强度修正。在此基础上,研究PGP-X井钻井参量及空气锤结构参量与冲击功及破岩比功的关系,探索冲击功、冲击末速度、钻压、冲击频率、转速、井深及岩性对破岩能效的影响。分析发现冲击功–破岩比功曲线具有界限明显的波动区与稳定区,由此得到空气冲旋钻井的临界冲击功及临界钻压;临界冲击功及临界钻压与井深和岩性密切相关,随着井深和岩石硬度增加,临界冲击功和临界钻压都有逐渐减小。通过以上研究,推荐了典型深部地层的临界冲击功、临界钻压、最佳转速与冲击频率组合,这些结果可以作为现场空气冲旋钻井实践的参考。

基于CPSO算法的岩石蠕变模型非定常参数反演分析

针对粒子群优化(PSO)算法具有全局寻优能力强、无梯度信息、收敛速度快、算法简单但易陷入局部最优解且初始化解的质量不高的特点,利用混沌的遍历性,把混沌机制和粒子群优化算法结合起来,对粒子群优化算法进行了改进,提出了混沌粒子群优化算法,并利用混沌粒子群优化(CPSO)算法对岩石蠕变本构模型的非定常参数进行了反演分析,算例结果表明,采用该混沌粒子群优化算法反演非定常参数是可行的.

论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

简要论述岩石循环的地质作用,提出并讨论岩石地质本质性命题,侧重阐述岩石的物质性、结构性和赋存性,及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识,探讨岩石物理本属性,包括不均一性、不连续性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上讨论岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论建立起岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。

基于广义Hoek-Brown屈服准则的非线性弹塑性岩石(体)本构模型及其数值实现

Hoek-Brown(H-B)屈服准则存在奇异性,在岩石(体)应力状态的低(拉)围压区存在低估岩石抗拉强度的现象。为了在数值计算中处理H-B屈服准则的奇异性,解决H-B屈服准则在低(拉)围压条件下低估岩石抗拉强度的问题,采用主应力回映算法和不同应力状态选取不同的m_i常数的方法,建立基于H-B屈服准则和考虑岩石屈服前的非线性特性的本构模型;在Ls-dyna的自定义材料接口程序中利用Fortran对模型进行二次开发,通过删除单元的方法模拟岩石试件的破裂过程,实现带破坏模式的低围压条件下的模型精确数值求解,获得岩石单轴压缩与巴西劈裂的三维破坏形态;岩石单轴压缩实验、巴西劈裂实验和声发射实验的三种力学特性实验结果与模型数值计算结果比较表明,实验结果与数值计算结果吻合较好,模型及其算法有较高的准确性。

粒子冲击钻井技术基础理论及试验研究

粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主,以高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的钻进硬地层的一种高效钻井工艺。该工艺是在钻井液中增加一定质量的钢粒子,利用粒子的冲击破岩作用,提高在硬地层或者硬夹层的钻井效率。介绍了粒子冲击钻井技术涉及的理论及试验研究,分析了硬地层的岩石动态本构关系,确定岩石模型的选择和建立。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立物理模型模拟粒子破岩过程,对比试验数据和仿真结果,总结了粒子冲击钻井破岩规律。粒子冲击钻井技术为解决硬地层钻井速度慢、钻井周期长和钻井成本高等难题提供了新思路,为近期页岩气的勘察和开发提供一种新的钻井方法。

基于VUMAT方法的TBM滚刀破岩仿真与试验

针对隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,TBM）刀盘设计过程中的滚刀间距确定问题,基于ABAQUS平台,采用用户定义子程序（User Material Subroutine,VUMAT）方法,编制了考虑损伤断裂和混合强化的岩石本构模型,进行了滚刀破岩过程的仿真计算。通过回转切削破岩试验,验证了仿真模型。使用经过验证的仿真模型开展成组计算,研究了刀间距对滚刀破岩法向力、滚动力和比能的影响,发现法向力和滚动力随刀间距增大而线性增大,TBM切削硬质砂岩的最优刀间距介于70~80 mm之间。

截齿破岩力学特性与碎片分离数值模拟研究

为研究截齿破岩过程中的截割力,裂纹生成和碎片分离过程,进一步提高巷岩掘进效率,采用SolidWorks软件建立了截齿截割岩石三维模型,并运用动力学仿真软件ANSYS/LS-DYNA建立了不同截割角、不同切削厚度下基于侵彻失效和压缩损伤的截齿破岩三维有限元模型,采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型来模拟岩石材料,并通过添加非反射边界条件以模拟岩块的无限大。对截割速度为3 m/s,切削厚度为10、15、20 mm,截割角分别为35°、40°、45°、50°、55°和60°参数下的截割力大小、截割力波动规律、裂纹扩展、碎片分离进行了研究,分析了岩块大小和截割力之间的关系。结果表明:采用ANSYS/LS-DYNA(3D),利用侵彻失效和压缩损伤相结合的方法,对于模拟截齿破岩过程中的裂纹扩展和碎片分离能够获得良好的效果;截齿以不同截割角及切削厚度截割岩石,获得的最大峰值截割力及截割力均值均不相同,裂纹的生成、扩展及碎片的大小也不相同;随着截割角的增大,破碎产生的块岩数先增大后减小,截齿截割力均值先减小后增大,其中截割角为50°时,块岩数目最多,截割力均值最小,截割过程中截割力波动最小,为提高破岩效率,减小截齿的磨损进而提高截齿寿命,截割角取50°为宜;随着切削厚度的增加,块岩数也增加。研究结果为提高破岩效率和截齿寿命及截割角和切削厚度的选择提供了理论依据。

月壤采样冲击破碎过程的影响参数分析

针对月球表面的月壤采样过程中遇到不同粒度的块状月岩时会对钻探取样工作造成不同程度的影响和阻碍的问题,提出了一种通过有限元仿真模型结合类月岩材料力学特性进行有效分析的方法,作为提高效率的依据。首先通过实验和仿真拟合,得到硬度接近于月岩的两种类岩石材料(红砖和砂岩)的材料模型参数。在此基础上,用实际尺寸的机构有限元模型进行仿真,得到采样冲击机构在冲击过程中不同参数的影响。基于该参数分析,对冲击机构及其冲击过程提出改进建议,可有效提高采样过程中冲击破碎岩石效率。