基于能量理论的冲击地压细观过程研究

为了解冲击地压细观发生过程,从而分析冲击地压不同阶段特点,从能量消耗角度对该过程进行了研究。认为冲击地压是岩体系统由于外界扰动引起的能量释放过程,总释放能量理论上等于岩体形成期间残余弹性势能。由于该弹性势能和岩体形成后裂隙发育的不同,导致岩体受开采扰动后经历的能量释放形式有所不同。大体上能量释放形式可分弹性变形、可产生裂隙的大变形、岩体破碎飞石、广义变形集中区岩体失稳和伴随裂隙产生的机械振动5种。过程可分三部分：初期变形和裂隙、中期飞石-变形-破碎-飞石的循环破坏过程（岩爆）、末期广义应变失稳破坏。使用颗粒流理论的PFC3D对上述过程进行了模拟,结果表明：-120 m、-220 m、-320 m时开采面岩体只发生变形和裂隙;-420 m、-520 m、-620 m岩体先经历变形和裂隙,然后发生岩爆;-720 m和-820 m岩体经历变形和裂隙、岩爆和广义应变区失稳坍塌。

环境侵蚀下水泥土的强度及细观破裂过程分析

研究了环境侵蚀下水泥土的细观破裂行为,利用中国科学院武汉岩土力学研究所的岩石破裂过程细观力学试验系统,对在各种侵蚀环境中侵蚀一定时间的水泥土细观试件进行了一系列破裂过程试验,实时观察并用显微数码摄像系统记录了水泥土试件的细观破裂全过程,得到了水泥土的应力-应变关系曲线及其对应显微图像。研究结果表明,环境侵蚀后水泥土的细观破坏特征主要有两类,即弹塑性破坏和脆性破坏。细观试验是研究环境侵蚀下水泥土破坏过程的有效手段。

受环境侵蚀的岩石细观破裂过程试验与实时观测

为了分析岩石在环境侵蚀下岩石的细观破裂行为,在已有岩石细观加载仪的基础上研制了侵蚀装置和数字显微观测系统。它可通过监视器对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监视和局部显微放大监视,并且可对监视到的图像进行录像和计算机自动采集。利用该系统进行了长江三峡工程永久船闸区的花岗岩在水和不同化学溶液侵蚀下的单轴压缩破裂过程试验,并观察到穿晶裂纹、绕晶裂纹以及沿晶裂纹的动态扩展全过程。

三维大理岩弹塑性损伤及细观破坏过程数值模拟

目前对于岩石细观破坏的研究取得了一些进展,但在许多工程领域不能简单地采用弹性损伤模型分析,而要考虑岩石细观局部塑性变形对岩体强度和稳定性的重要影响。因此,基于应变空间理论导出弹塑性损伤细观模型,提出破坏单元网格消去法模拟裂纹扩展,程序自动删除损伤度为1的细观单元,使该单元在下一步计算中失去作用,利用高性能并行计算实现岩石三维破裂过程的数值模拟。对大理岩三点弯曲试样I型及I–II复合型裂纹的破坏过程进行数值模拟,研究裂纹穿晶和绕晶破坏问题,给出裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。计算结果表明,考虑岩石细观局部塑性变形时的岩体稳定性要大于不考虑局部塑性时的稳定性,仿真试验和物理试验吻合较好,由此说明所提出的岩石弹塑性损伤破坏模型的正确性和有效性;裂纹尖端晶体强度影响穿晶和绕晶的破坏模式;破坏单元网格消去法解决有限元模拟裂纹扩展的难题,给出的模型和方法可付诸于实践。

泥灰岩的细观溶蚀过程分析

为了研究泥灰岩的细观溶蚀过程,采用室内试验分析和镜像观察的方法,分析了泥灰岩在溶蚀过程中的物质成分变化和细观结构的改变。结果表明:泥灰岩的细观溶蚀过程可以从两个方面进行分析:①岩石中可溶成分发生化学分解作用,而大量的泥质物在岩石表面逐渐脱落,被水流带走,这是泥灰岩在溶蚀过程中表现为岩石成分损伤的过程;②岩石中原始存在的微小裂隙在溶蚀过程中不断增长变宽,这是泥灰岩在溶蚀过程中表现为岩石结构损伤的过程。

基于傅里叶近似法的S-RM细观损伤过程研究

为了明确土石混合体(S-RM)的细观损伤演化过程,基于现场水平推剪试验,采用离散元数值模拟方法,开展S-RM水平推剪数值实验研究,分析S-RM的力学特性和细观损伤演化特征.基于傅里叶近似法,提出微裂纹各向异性定量评价方法.根据S-RM变形破坏过程中微裂纹各向异性演化特征,划分了S-RM水平推剪细观损伤阶段,通过分析各细观损伤阶段的裂纹扩展特征及发展规律,揭示了S-RM剪切滑动面形成机理.试验结果表明,微裂纹各向异性程度随着剪切位移的增加而增强,当主裂纹形成后不再有明显变化,微裂纹主要分布在0°~45°与135°~180°;微裂纹的产生主要由于颗粒间的拉应力导致,拉裂纹的各向异性程度明显大于剪切裂纹;土体中微裂纹的贯通导致多条宏观裂纹的形成,由于块石的翻转宏观裂纹逐渐扩展形成一条绕石宏观主裂纹,S-RM沿着主裂纹滑移形成绕石剪切滑动面;滑动面的倾角为34°,与主裂纹倾角和微裂纹在0°~90°的平均角度一致.

疲劳裂纹萌生的细观效应

Ｘ射线衍射分析表明，在疲劳极限载荷下循环加载１０＾７次事，退火态１６Ｍｎ在厚度约３个铁素体晶粒大小的表层内，３００Ｍ钢在厚度经１５个原奥氏体晶粒大小的表层内，喷丸强化３００Ｍ钢在距表面２００－３２０μｍ的亚表层内发生ＸＲＤ效应的明显变化。

裂尖大应变细观断裂研究

本文用反映空穴形棱成长的Gurson本构方程来描述裂尖区域材料在大应变情形下的力学特性,并进一步考虑了空穴演变对材料杨氏摸量的影响.文中用上述本构方程分别结合弹性大应变有限元方法对平面应变Ⅰ型裂纹问题作了计算,分析了裂尖应力分布、裂尖形状变化和裂尖空穴演变过程,并与用Prandtl-Reuss本构方程计算的结果作了比较.

地下洞室围岩喷钢纤维混凝土抗弯细观机理的三维离散元分析

喷混凝土的抗弯性能是其支护地下洞室围岩强度的重要反映。针对丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群的钢纤维混凝土喷层,采用三维离散元分析了其抗弯细观机理。在数值分析过程中,提出了基于Voronoi随机多边形的三角分割建模方法;引入了Monte-Carlo法,建立了钢纤维随机分布模型。数值模拟采用了库伦摩擦节理本构模型来表征混凝土材料介质之间的粘结-开裂效应,采用Cable单元来模拟钢纤维作用。结果表明:数值模拟曲线与室内试验曲线基本一致;钢纤维混凝土的弯曲破坏由拉破裂主导,拉破裂路径总体铅直向上,但会受钢纤维作用的影响;在钢纤维混凝土弯曲破坏过程中,钢纤维的屈服大多是由于其与混凝土之间的粘结力达到屈服值,这与室内试验中有较多钢纤维被拔出的现象结论一致。研究结果为丰宁抽水蓄能地下厂房支护结构稳定性提供了重要理论支撑,同时也是室内试验的重要补充内容。

金属疲劳极限与静强度的相关性

研究了 2 0Cr、40Cr、30CrMo、GC4、30 0M等钢在应力比r =-1或r =0 .0 5条件下 ,金属内部疲劳极限与静强度的关系 ,建立了便于工程应用的实用性规律。根据金属疲劳裂纹萌生的微细观过程理论 ,以及金属表面和内部疲劳极限的概念 ,对上述相关性进行了理论分析。

化学腐蚀对黄河小浪底砂岩力学特性的影响

利用岩石细观加载仪和数字显微观测系统,进行了黄河小浪底砂岩在不同化学腐蚀下的单轴压缩破裂过程试验,探讨了不同浓度、不同pH值和不同化学溶液对岩石力学特性的影响,分析了在化学腐蚀下岩石的细观破裂行为,给出了部分砂岩荷载位移变化曲线。

泥岩实时细观破坏过程及其声发射事件产生机制研究

利用自制的与CT系统和声发射系统配套的加载装置,研究了泥岩在破坏过程中裂纹、孔隙等变化规律及与声发射事件之间的关系.研究表明:从CT图像可以观测到不同加载阶段试件中微裂纹闭合、扩展、分叉等细观损伤活动,声发射事件的空间分布规律很好地反映了内部微破裂、微裂纹的演化过程,定位结果与裂纹发育区域较一致.破坏模式不同反映了破坏过程和破坏机理的不同,破坏从规模较大的原生微裂纹处起裂,起裂载荷约为峰值载荷的80%,无原生裂纹区域和含坚硬夹层区域发生突发性脆性破坏,坚硬夹层对破坏模式起控制作用.声发射事件主要来源于加载初期新生裂纹的形成、原生裂纹的压密及裂纹的稳定扩展,此时声发射信号为突发型.裂纹的起裂和非稳定扩展过程不能形成声发射事件,此时声发射信号为连续型.能量累积陡增是裂纹起裂、分叉及宏观破坏的标志.

破坏单元消去法在岩石非线性断裂研究中的应用

提出破坏单元网格消去法模拟裂纹扩展,将细观单元损伤度的值作为判断其损伤破坏依据,利用高性能并行计算实现岩石三维破裂过程的数值模拟。对岩石试样I型裂纹的破坏过程进行数值模拟,研究高边坡岩体滑坡破坏问题,给出裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。结果表明,岩石I型裂纹仿真试验和物理试验得到的极限强度吻合较好,高边坡岩体滑坡破坏数值试验和实地观测水平位移吻合较好,说明破坏单元消去法能够清晰直观地模拟岩石非线性破裂过程。