基于离散元法的岩石细观能量转化特征及影响因素分析

为揭示荷载作用下岩石细观能量转化特征及查明其影响因素,基于离散元PFC2D软件建立砂岩数学计算模型,通过试错法匹配试验应力—应变曲线标定细观力学参数,对不同围压、加载速率和颗粒直径下砂岩受压试验进行离散元研究。分析砂岩变形破坏全过程细观能量演化及转化特征,探讨细观能量转化机制及细观能量转化影响因素。研究结果表明:细观线应变能和黏结应变能在峰值应力前随变形增大而增大,峰值应力后释放并逐渐平缓发展;摩擦耗散能随变形增大而增大,阻尼耗散能演化趋势与宏观贯通裂纹形成相关;以耗散能转化率为例,能量转化经历了4个阶段,与裂纹发展趋势一致,且其极小值对应岩石损伤应力;损伤应力后,围压、加载速率的增大降低耗散能转化及其增长速率,颗粒直径的增大仅降低耗散能转化率,不影响其增长速率。

不同温度和应变率下水工沥青混凝土细观能量演化研究

为揭示水工沥青混凝土在不同温度和应变率下的细观能量演化规律,基于离散元颗粒流程序(PFC3D),根据试件中骨料级配建立三维细观随机骨料模型,利用该模型对不同温度范围应变率条件下的水工沥青混凝土单轴受压试验进行离散元研究。分析水工沥青混凝土破坏全过程中细观能量演化特征,探讨温度和应变率对应变能和耗散能演化特征的影响,从细观层次研究能量演化的机制。研究结果表明,在破坏过程中粘结应变能和线性应变能随变形增大而增大,摩擦耗散能和阻尼耗散能随变形增大而增大;应变率为10-4s-1时,温度从10℃降低至-20℃,应变能储能极限提高11.46倍,能量耗散量提高6.37倍,温度为0℃时,应变率从10-5s-1提高至10-2s-1,应变能储能极限提高6.37倍,能量耗散量提高3.71倍,应变能和耗散能随温度降低和应变率提高而增大。

循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性

为研究三轴循环加卸载条件下三山岛花岗岩细观能量演化规律,采用颗粒流理论确定了花岗岩的应力门槛值(起裂应力σci、损伤应力σcd和峰值强度σf),研究了应力门槛值对应的边界能、应变能(线性接触应变能和平行黏结应变能)、耗散能(摩擦能和阻尼能)、动能随围压变化的规律,并从能量角度建立了岩爆倾向性评价指标Wx.结果表明:三山岛花岗岩不同围压下相应的σci/σf位于37. 0%~44. 8%区间,σcd/σf位于81. 2%~89. 0%区间,随着围压的增大,起裂边界能、应变能和耗散能呈线性关系增加,损伤(峰值)边界能、应变能和耗散能呈指数关系增加;其中耗散能受围压影响最为敏感,增幅倍数最大,其次是边界能,最后为应变能.围压对起裂应变能比例影响不大,损伤和峰值应变能比例随围压增大缓慢减小,峰值应变能比例下降幅度最大.基于岩爆倾向性评价指标Wx可知,当围压在20 MPa内,三山岛花岗岩岩爆倾向性相对较小;当围压达到30 MPa时岩爆倾向性开始迅速增加.研究成果为岩爆倾向性的评价提供了新的参考指标,进一步为井下岩体工程的稳定性研究提供了新思路.

脆性岩石宏细观破坏机制的卸荷速率影响效应研究

通过开展不同卸荷速率下大理岩加轴压、卸围压室内试验与颗粒流仿真,采用多角度宏细观结合分析的方法,探讨卸荷速率对脆性岩石卸荷破坏机制的影响效应。结果表明:岩样宏观表现的剪切破坏细观上是拉破坏扩展形成的贯通破坏面。黏结能、应变能同时出现负向增长的特征,可以作为脆性岩石的破坏前兆。高卸荷速率下岩样内部会出现多条贯通性破坏面,次要破坏面明显,张拉破坏裂纹分布面积较大。卸荷速率增加,峰值点至应力突降处的拉裂纹增长率越高;低卸荷速率时剪裂纹数偏高。卸荷速率会改变岩样破坏前声发射计数率的增长速率、破坏点附近的计数率量值以及破坏后的波动幅度。卸荷速率增加会引起黏结能、应变能以及摩擦能的减少,动能则相反。