一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。

弹性能释放率与应力强度因子之关系研究

应用虚功原理对裂纹的弹性能释放率G与应力强度因子K之间的关系进行了推导,同时给出了一系列计算公式,最后得出了两者的关系式,为判定裂纹扩展奠定了理论基础。

不同倾角单裂隙对非均质岩石失稳演化研究

岩体中的裂隙对岩石的力学行为、能量演化和失稳破坏有显著影响。为阐明不同倾角单裂隙对岩石能量演化和失稳破坏机理,基于颗粒流PFC2D方法,建立了不同倾角单裂隙砂质泥岩数值模型,模拟了不同倾角单裂隙下砂质泥岩的单轴压缩试验。研究表明,随着单裂隙倾角变大,砂质泥岩的强度与弹性模量先降低后增大,预制裂纹会影响断裂面的裂纹起始位置,并加速断裂面的形成;声发射事件在岩样破坏前存在小范围沉寂期,该特征可作为岩石破坏的前兆判据;随着裂隙倾角的增大,总能量持续增大,弹性能和耗散能呈现先增加后减小的趋势,倾角30°时,岩石试样冲击倾向性最弱,有利于降低冲击地压危险,倾角为90°时,岩石试样冲击倾向性相对最强,不利于冲击地压的防治。

动静加载下煤的破坏特性及机制的试验研究

动静加载下煤的破坏特性及机制是研究动载冲击地压机制的基础问题,利用改进的霍普金森杆对该问题进行试验研究。首先,通过试验结果的回归分析发现煤在动静加载下有其不同于均质致密岩石的独特的破坏特性。然后,通过对试验结果的讨论对动静加载煤的破坏机制进行分析,发现较多裂隙的存在是导致独特破坏特性的主要原因。破坏模式以裂隙脆性扩展为主;动载的作用主要是使裂隙扩展,进而发生破坏;而静载的作用主要是改变原生裂隙的数量和裂隙尖端的蓄能。最后,基于试验结果对动静加载下煤的冲击危险性进行分析,得出动静加载下煤具有临界静载和最优动载;并将动静载荷下煤的强度作为动载抵抗指数,用来反映抵抗动载能力的强弱;将碎片的分维值作为动载冲击能量指数,用来衡量动载冲击破坏的剧烈程度。