基于岩石统一能量屈服准则的硬岩损伤模型

为了更准确、便捷地确定深埋地下工程中硬岩的力学行为,开展了如下研究:根据损伤与塑性演化存在相似机制,假设损伤阈值与初始屈服采用相同的确定方法,将岩石统一能量屈服准则作为损伤阈值的判定准则;基于Rabotnov对损伤变量的定义和Lemaitre应变等效性假设,并考虑未损伤部分的应力-应变关系符合广义虎克定律,提出了简化形式的硬岩损伤本构方程;为了更好地表达硬岩从低围压到高围压条件下的脆-延转化特性,提出了改进的Mazars损伤演化方程;基于锦屏T_(2b)大理岩常规三轴压缩试验结果,对损伤模型参数进行求解,并分别与基于Mazars损伤演化方程和Mohr-Coulomb准则为损伤阈值判定准则的损伤模型进行对比,结果表明:提出的损伤模型可更好地表达硬岩从低围压的脆性到高围压的延性转变过程,特别是对损伤阈值后岩石的损伤演化过程的模拟更为精确,对硬脆性岩石的工程计算有一定的借鉴意义。

岩石统一能量屈服准则

不同于金属材料,岩石材料由于具有内摩擦特性而表现出明显的Lode角效应等特点,其屈服过程不仅与广义剪应力有关,还受静水压力的影响。为建立适用范围更广、更符合岩石屈服机制的屈服准则,开展如下主要工作:综合考虑岩石材料屈服时的剪切滑移和法向压密机制,将与屈服相关的能量划分为3个复合滑动面的剪切应变能之和与体积应变能,并给出相应的计算公式;几种不同性质的岩石试验结果表明,岩石屈服时的2种能量近似符合线性关系,基于此,建立岩石统一能量屈服准则,总体上它可较好地描述岩石材料的屈服特性,如子午面上的曲线形态、Lode角效应等;通过对常用的岩石屈服准则进行对比分析,指出统一能量屈服准则是多种常用岩石屈服准则的一般形式;分别采用统一能量屈服准则、三剪能量屈服准则、Mohr-Coulomb屈服准则、Drucker-Prager屈服准则、双剪强度理论、Hoek-Brown准则和Murrell准则对3种不同性质岩石的屈服强度进行计算,结果表明统一能量屈服准则的计算结果比较精确(尤其是在高围压和高静水压力条件下),并且分析统一能量屈服准则产生上述结果的本质机制,探讨岩石材料屈服时剪切应变能为定值的传统假设近似成立的条件。所建立的岩石统一能量屈服准则突破了岩石材料屈服时剪切应变能为定值的传统假设,通过分析体积应变能对岩石屈服的影响规律,在屈服准则中合理地考虑体积应变能的影响因素,这对于准确地定量分析岩石材料的屈服特性具有重要意义。

基于三剪能量屈服准则的岩石弹塑性耦合模型

为建立能够准确描述岩石变形过程中能量演化规律的力学模型,提出利用三剪能量屈服准则和弹性剪应变能获取岩石黏聚力与内摩擦角,以及基于三剪能量塑性势函数获取剪胀角的方法,依据所提方法和岩石循环加卸载试验数据,得到了各级围压下不同塑性累积阶段岩石的弹性模量、黏聚力、内摩擦角及剪胀角等参数,发现随着塑性变形的增大,弹性模量呈负指数关系减小,黏聚力峰前线性增大而峰后呈负指数减小,内摩擦角满足比例参数为1、形状参数为1.5的Weibull函数,剪胀角线性减小;随着围压的增大,弹性模量和黏聚力均呈线性关系增大而剪胀角呈线性减小。建立岩石三剪能量弹塑性耦合力学模型,实现了模型在有限差分软件中的二次开发并编写了能量演化监测程序。模拟岩石室内试验,结果表明所建模型能较准确地描述岩石后继屈服过程中的硬化软化、剪胀、围压效应以及能量演化等力学行为。研究成果可为从能量角度研究岩体失稳提供理论支撑和现实手段。

基于三剪能量屈服准则的应变软化岩石统计损伤本构模型研究

岩石的变形破坏本质上是能量转换的结果。为更加合理地构建岩石的本构模型以及探讨岩石的变形破坏特性,先引入统计损伤理论,假定岩石微元强度服从Weibull分布,推导出岩石的损伤本构方程;然后从能量角度分析岩石的变形破坏特性,构建了基于三剪能量屈服准则的岩石微元强度,进而建立起基于三剪能量屈服准则的应变软化岩石的统计损伤本构模型,模型中参数的物理力学意义明确;最后以一组岩石三轴压缩试验数据为例,对所建立的本构模型的可靠性和实用性进行了验证。结果表明:利用所建立的本构模型得到的岩石应力-应变理论曲线与试验结果吻合度很好,该模型能够很好地反映岩石变形破坏过程中的典型特性,并能够模拟任意围压条件下岩石的应力-应变曲线,且模拟曲线能够反映出围压对岩石变形破坏的影响,表明该模型具有可靠性和实用性。

温度压力耦合作用下的岩石屈服破坏研究

以深部开采为背景,讨论了温度和压力对深部岩石变形和破坏规律的影响。将岩石的屈服破坏过程视为能量释放和能量耗散的过程,根据最小耗能原理导出了温度和压力耦合作用下的深部岩石屈服破坏准则。该准则具有明确的物理意义,即当岩石的塑性耗散能及温度梯度引起热传导的耗散能累积耗散到一定程度时,岩石就会发生破坏失稳。

基于最小耗能原理的岩石损伤本构模型研究

在连续损伤理论框架下引入最小耗能原理,将岩石统一能量屈服准则作为耗能约束条件,基于各向同性基本假定构建一种新型损伤本构模型。假定以岩石初始屈服点作为损伤阈值,模型考虑损伤阈值对损伤演化规律的影响;推导岩石三轴压缩强度和变形参量与模型参数的理论关系。为验证模型的合理性,对角砾熔岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并分析破坏过程中岩石变形各阶段的能量演化特征。研究结果表明:该模型能较好地反映岩石材料在复杂应力条件下的非线性力学行为,且考虑损伤阈值影响的模型对岩石后屈服段的拟合精度更高,对复杂应力条件下的岩石工程安全分析具有参考价值。

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。

粘塑性有限元分析隐式积分方案公式的统一形式

本文推导了粘塑性有限元分析中隐式积分格式的统一表达式,它包括特雷斯卡(Tresca)、米赛斯(Von-Mises)、莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)、德鲁克-普拉格(Drueker-Prager)和监凯维奇(Zienkiewicz)五种屈服准则。并给出一个算例以说明这种公式的效果。

基于三剪能量屈服准则的地下水平盐岩储库腔壁稳定性分析

为解决地下水平盐岩储库的稳定性问题,在三剪能量屈服准则和试验研究的基础上,建立一个新的基于洛德角和应力的全应力状态的扩容准则。以建立的准则为判据,在不同轴比、不同侧压系数条件下,对常见的水平椭圆柱形的盐岩储库腔壁稳定性进行评价,最终确定储库的最佳轴比及其运营的极限气压范围。将计算结果与Kerry DeVries准则的计算结果进行对比,结果表明:该准则为确定地下水平盐岩储库运营时的极限气压提供了行之有效的理论方法。

强度理论百年总结

自从1900年著名的Mohr-Coulomb强度理论建立以来,已有100年的历史.在20世纪,关于材料在复杂应力状态下的强度理论进行了大量的理论研究和实验研究工作.本文对材料(包括金属材料、岩石、土、混凝土、冰、铁、聚合物、含能材料等)在复杂应力状态下强度理论(屈服准则、破坏准则等)的百年发展进行了总结,讨论了各种准则之间的关系,为研究和工程应用中的合理选择破坏准则提供了一种方法.文中还总结了三大系列强度理论、统一屈服准则、统一强度理论和其他各种强度理论,并简述了强度理论的计算机实施,以及多轴疲劳等问题.