岩石类材料滑动裂纹模型

滑动裂纹模型被广泛应用于岩石类材料压剪断裂分析及损伤分析。针对较为典型的6种翼裂纹应力强度因子计算模型,综合考虑主裂面方位、翼裂方位、侧压及翼裂当量长度的影响,对各计算模型进行了系统的对比分析;针对翼裂纹沿主压应力方向的情形,进行有限元分析,并和理论模型计算结果进行比较。最后综合得到一些有益的结论和建议,可为选用滑动裂纹计算模型进行岩石类材料压剪断裂和损伤分析提供参考。

岩石类材料中压剪裂纹的相互作用分析

将一种多裂纹相互作用的分析方法推广到类岩石材料的压剪裂纹相互作用分析中,并作为特例讨论了两共线压剪裂纹及两偏置平行压剪裂纹。结果表明:两压剪裂纹桥联区几何特征对其相互作用有决定性影响,该方法为进一步研究压剪裂纹的扩展和聚合提供了基础。

基于格构模型的岩石类材料开裂数值模拟

采用二维格构模型模拟岩石类材料的开裂过程。格构模型将连续介质离散为由弹性杆或梁单元组成的二维格构网格,单元采用简单的本构关系和破坏准则,单元之间的参数可互有差异,以引入材料的非均质性。在外载作用下对整体网格进行线弹性分析,计算出格构中各单元的局部应力,超过断裂阈值的单元将破坏,材料的破坏过程通过单元的依次破坏来模拟。使用格构模型分析了单轴拉伸破坏和单边切口梁的剪切破坏。数值模拟结果表明,格构模型可作为岩石、混凝土类材料开裂分析的一种有效方法。

不同应力状态下岩石类材料破坏的声发射特性

通过对加、卸荷应力状态下岩石类材料声发射变化的比较，探讨岩石类材料破坏过程中的声发射现象。在三维应力状态下对岩体模型试样进行三种卸荷破坏试验，依据损伤力学理论对试验结果进行分析，揭示了在工程卸荷作用下岩石类材料的声发射特性。

岩石类材料动态强度准则

岩石类材料的强度具有明显的应变率效应。首先分析了材料的单轴动态强度特性,提出了一个简单的强度公式,可以统一描述准静态到动态的单轴强度特性。随后,基于统一强度准则开展多轴动态强度研究,在双对数坐标系下,不同应变率下的子午面强度包线近似平行,材料摩擦、静水压力、中主应力效应几乎不受应变率变化的影响。由此建立动态坐标系,将统一强度准则拓展至考虑应变率效应。基于所得的准则,将单轴压缩、拉伸应力状态代入,强度准则可以描述与单轴试验相似的强度规律。最后,采用混凝土试验对强度准则进行了验证。该强度准则基于动态强度特性建立,参数物理意义明确,可以为动态响应分析提供理论基础。

岩石类材料峰后滑移剪膨变形特征研究

以某金属地下矿山采场巷道围岩中两种典型的破裂岩石为研究对象，共取１４块有代表性的岩石试件，在ＭＴＳ８１５．０３电伺服岩石力学试验机上进行峰后循环加卸载试验，结果表明：岩石峰后出现破裂块体之间的摩擦滑移特性．峰后区ｖ（ε＿３／ε＿１）一般均大于０．５．

岩石类材料裂纹扩展贯通的颗粒流模拟

采用颗粒流软件PFC2D实现含有不同岩桥倾角的预制双裂纹材料在单轴压缩作用下裂纹扩展贯通过程,并利用函数模块追踪裂纹扩展过程和微裂纹数量。数值结果表明:在单轴压缩作用下随着岩桥倾角增大,岩桥区域裂纹贯通模式由张拉型(≤68°)逐渐演化为拉剪复合型(=90°和113°)和剪切型(=135°);试件峰值强度逐渐降低;并认为宏观的次生剪切带主要由张拉型微裂纹和少量剪切型微裂纹组成。利用室内模型试验对数值结果进行验证,结果表明颗粒流程序能够很好地模拟裂纹贯通过程。

考虑损伤效应的岩石类材料局部化特性分析

在各向同性损伤条件下,考虑岩石损伤过程中的刚度降低和体积扩容,通过理论推导建立了岩石发生分叉失稳时的最大硬化模量和临界局部化方向,探讨了局部化方向角对于岩石的损伤程度和初始泊松比的依赖关系,并对平面应力与平面应变两种条件下单轴拉伸试件的分叉特性进行了对比分析。研究表明,岩石的初始泊松比与损伤程度越大,局部化方向角越大;尽管平面应力与平面应变条件下单轴拉伸问题的局部化方向角具有相似的变化趋势,但平面应力条件下的局部化方向角低于平面应变条件下同样情况下的局部化方向角。

岩石类材料峰后本构关系研究进展

由于岩石、混凝土等材料的复杂性,使其峰后本构理论的研究非常困难。国内外许多学者依据多种力学理论建立了各种各样的本构模型。本文在讨论岩石力学本构模型发展理论的基础上,概要介绍了已有的各类本构模型并进行了简单评述,最后指出了其发展趋势。

岩石类材料损伤黏弹塑性动态本构模型研究

针对岩石类材料的动态力学特性,基于损伤演化和元件模型理论,将岩石类材料视为由具有损伤特性、弹性特性、塑性特性及黏滞特性的非均质点组成,建立考虑损伤的黏弹塑性动态本构模型,并推导出本构方程的微分表达式。将下山单纯形法嵌入自适应混合遗传算法中,编制反演分析程序,在岩石冲击试验数据的基础上,确定出损伤动态本构方程的待定特征参数。利用确定出来的动态本构方程得到的再生应力–应变曲线与试验曲线之间有很好的一致性,从而可验证该损伤黏弹塑性动态本构方程的适用性。

耗散结构理论在岩石类材料变形系统中的初探

从系统的角度出发,运用耗散结构理论,对岩石类材料的极限承载力、破裂过程及其变形过程中的能量变化、宏观应力-应变关系等进行深入的分析,从而更深入地揭示岩石类材料力学特性的本质。研究结果表明岩石类材料变形系统具有耗散结构的特性,岩石受力产生变形是非线性动力学过程,即系统内部各要素之间发生协调和相干效应,岩石承载力(强度)是外界做功功率和岩石自身耗散能率达到平衡的外在力学表现。

岩石类脆性材料的细观损伤本构关系

岩石变形的非线性特征主要是岩石内存在的微裂纹或微空隙闭合和张开扩展的结果。本工作考虑这些微缺陷的影响建立损伤本构理论,将其应用于根据岩石所含孔隙度不同而提出的不同模型。理论曲线和实验曲线吻合。

虚拟多维内连结键模型(VMIB)在岩石类材料单轴破坏中的应用

应用虚拟多维内连结键模型对岩石类材料的单轴压缩破坏机理进行了分析,并推导出了包含损伤演化信息的非线性本构方程。VMIB模型认为:固体材料在微观尺度上是由离散的随机分布的质点(带有质量的微粒)组成。质点与质点之间由一组虚拟的切向键和法向键连结。岩石类材料在受压破坏过程中,宏观上局部刚度的降低是在微观尺度上虚拟键分布密度衰减的结果。根据虚拟键的密度衰减机制,唯象地提出了虚拟键密度演化方程,并将该演化方程直接嵌入到了VMIB模型本构方程中。微观上法向键和切向键的密度衰减分别决定着材料不同的宏观全过程破坏特征。最后通过数值模拟和试验验证,说明VMIB模型能够有效地再现岩石类材料的单轴压缩破坏过程。由于VMIB模型兼顾了连续介质力学和分子动力学的特点,这使得材料破坏的数值模拟变得更为简单和高效。

压缩载荷作用下岩石类材料的断裂模式研究

为了解岩石类材料在压缩条件下的裂纹扩展规律,本文对含有内部倾斜裂纹的石膏板试件进行了双轴压缩实验。研究表明:在通常情况下岩石裂纹按I型张拉模式扩展,但随着裂纹表面摩擦系数μ和围压与纵向荷载比值λ的提高,翼裂纹扩展的偏转角随之减少。当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值足够大时,例如,μ=0.83和λ=0.315,岩石裂纹按Ⅱ型剪切模式扩展。然而,当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值进一步增加时,石膏板试件将发生强度破坏。本文提出了一个理论模型用以解释和描述这一实验现象。

基于自适应混合遗传算法的岩石类材料动态参数反演

将多元函数的下山单纯形法嵌入遗传算法,加强了算法的局部搜索能力,并且将交叉概率、变异概率以及局部搜索概率改进为随遗传个体的适应度值改变和进化代数的增加而调整的自适应型。在此基础上针对岩石类材料的特性,将数值计算值与冲击压缩实验结果之间的相对均方差作为适应度函数,编制了反演分析算法来确定岩石类材料考虑损伤的非线弹性动态本构模型的待定特征参数。结果表明:由动态本构方程得到的再生应力-应变曲线与实验曲线之间具有较好的一致性,从而验证了该反演分析方法是合理可行的以及动态本构模型对于岩石类材料的适用性。

一种新型岩石类材料平面应变实验装置的研制和应用

介绍了一种新型岩石类材料平面应变实验装置的研制和应用。该装置的主要特点是可以通过一个厚壁筒液压缸对安置在其中的方形试件施加侧向压力(最小主应力),最高压力可达20 MPa,从而最大程度地减少了刚性加载所带来的端部约束问题,提高了实验精度。利用缸体本身的刚度对试件进行侧限的设计,使得装置结构紧凑,实验简单易行。采用弹性材料试件对装置进行了校准标定,并介绍了变形测量系统。最后,对岩石试件进行了平面应变实验,结果表明,该实验装置能较好地模拟平面应变状态。

工程岩石类材料的不稳定性

基于非关联流动理论和弹塑性耦合理论,研究工程岩石类材料的不稳定性。由于工程岩石类材料具有刚度劣化特性,岩石类材料在软化塑性、理想塑性和低强化塑性情况下均可能呈现不稳定。对于弹塑性耦合理论,可通过本构矩阵正定性的讨论,得到工程岩石类材料的不稳定条件;对于塑性势理论,可通过本构矩阵对称部分的正定性来研究材料的稳定性,能够得到相同的结果。

岩石类材料的自然特性及变形过程的控制

任何材料都具有自身固有的特性及相应的变化规律，这种特性称为材料的自然特性，材料的力学行为是其自然特性与外界控制条件共同作用的结果。外界控制条件在一定条件下引起材料变形的分叉现象，使材料的变形过程具有局部不确定性。材料的固有特性有时不能按照传统的试验控制方法获得。

岩石类材料裂隙形成和扩展的相场方法模拟

相场方法通过定义一个连续分布函数来近似表示自由不连续裂纹,在此基础上建立最小能量变分框架,从而得到描述裂纹发展的控制方程。不需要提前设定裂纹的形状、尺寸和方向,相场方法就能很好地描述裂纹的形成和扩展,为利用数值方法模拟裂纹扩展提供了一个严谨准确的理论框架。该文首次将相场方法用于模拟岩石裂隙扩展问题,预测包含不同岩桥倾角的预制双裂隙岩石类材料在单轴压缩作用下的损伤和破坏过程,并与室内试验结果进行对比。结果表明相场方法非常适合模拟岩石类材料内部复杂裂隙的萌生、扩展和连接过程,在岩体工程稳定性分析领域具有广阔的应用前景。

峰后岩石类材料的声发射特性研究

基于声发射试验系统和岩石声发射理论,对2种不同性质的岩石和水泥砂浆进行了单轴压缩试验,得到了3种试样破坏全过程的力学特性曲线、声发射振铃数和累计振铃数曲线,针对其变形特征及应力、振铃数与时间的关系分阶段进行了研究。研究表明:岩石类材料声发射受岩石强度、节理裂隙和晶粒软硬大小等的影响;部分质软岩石类材料在弹性、弹塑性阶段,其单位时间声发射振铃数逐步增加,但在接近强度峰值时出现声发射相对平静现象;峰后声发射活性主要受岩石的强度影响。对比不同岩石的破坏声发射特性,可为天然和人工岩土工程稳定性评估提供参数。