不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明：裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。

水-岩化学作用之岩石断裂力学效应的试验研究

在常温常压、不同循坏条件下,对不同化学性质的水溶液作用下的两种花岗岩和两种砂岩进行了断裂力学指标KIc和d c的三点弯曲试验。结果表明:(1) 水-岩化学作用对岩石裂纹的断裂指标有显著的影响,并且具有时间效应。不同岩性、不同浸泡方式及不同水溶液流动速率对岩石断裂力学指标的影响存在着较大差异。总体上,水化学作用对断裂力学指标的影响程度与水-岩化学反应的强度成正比。(2) 岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水-岩化学作用力学效应的关键物质成分,其中含铁离子物质对水-岩反应的断裂力学效应具有正反两方面的力学效应。

超高速碰撞材料毁伤效应研究进展

超高速动能武器的快速发展,使武器弹药的打击效能大幅提高,超高速碰撞毁伤效应研究已成为武器弹药研制和目标防护的研究重点。对国内外混凝土、岩石、金属和复合材料的超高速碰撞毁伤效应研究现状进行概述,分析了超高速动能武器的发展趋势,对超高速碰撞毁伤效应研究中存在的问题进行总结,在此基础上,探讨了超高速碰撞毁伤效应未来的研究重点。

冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟研究

在矿山运输系统中,井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的,因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用,室内研究表明,岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。为研究在低速冲击载荷作用下,脆性岩石损伤断裂的演化过程,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验,岩板受到冲击后,边缘出现凹坑,表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘,实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况,能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势,同时与入射角度相关,但当破裂区面积急剧下降时,裂纹表面积反而急剧上升,表明裂纹的发生发展有明显的孕育期,在入射能量达到临界值前,主要表现为裂纹孕育增长,在达到临界值后,发生宏观断裂破坏,裂纹面积呈负增长,破裂区面积增大。实验结果分析表明在实际工程中,围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。

岩石循环冲击损伤演化围压效应的实验研究

为研究岩石循环冲击荷载作用下损伤的围压效应,对大理岩试件在压力试验机上进行模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速。用超声波波速变化量描述试件的损伤度。分析了围压、荷载冲量大小、冲击次数对岩石损伤演化的影响,得出了大理岩在不同围压下冲击损伤与冲击次数的函数关系。分析了大理岩岩样循环冲击损伤的围压效应。结果表明,岩石循环冲击损伤具有明显的围压效应,围压的存在提高了岩石抗冲击破坏的能力。从试验角度证明了在深部矿井中高地应力的存在对钻孔的钻进效率和处于初始应力场中的岩石的爆破破碎效率有重要影响。

基于TCK损伤本构的岩石爆破效应数值模拟

脆性岩石在爆破载荷下的动态破碎行为是工程技术人员所关心的,采用数值法预估岩体破裂范围和损伤大小对施工安全具有重大意义,其中合理的岩石损伤模型是关键。假设岩体破坏近似服从Mises屈服准则,且考虑到岩体的应变硬化特性,把Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型中的拉裂损伤演化方程和材料双线性、弹塑性本构耦合到一起,并简洁地嵌入到有限元分析软件LS-DYNA中,通过半无限岩体中柱形药包爆破实例验证了其合理性与准确性。对球形药包爆破问题也进行了数值分析。该损伤模型及其数值模拟在工程中具有一定的参考价值。

岩石蠕变-冲击试验研究——现状与展望

在深部岩体工程中,爆破等开挖扰动是触发岩爆的关键性因素,然而岩爆通常是滞后于爆破扰动一段时间才发生,表现出明显的时滞性,这给岩爆的预测和预警带来了巨大的困难。岩石蠕变-冲击力学行为的研究是揭示滞后型岩爆的力学基础。因此,蠕变-冲击受力条件下岩石的力学特性研究具有重要的理论意义与工程应用价值。本文阐述了岩石蠕变-冲击力学特性研究的工程背景及意义,重点介绍了蠕变加载条件下岩石的力学特性、岩石蠕变-冲击试验研究的现状,并综述了蠕变-冲击载荷下岩石力学行为的研究进展。在此基础上,展望了岩石蠕变-冲击力学研究的未来发展趋势,其中包括试验设备的改进与试验方法、蠕变-冲击过程中岩石的损伤表征、岩石在蠕变-冲击条件下的本构关系、该试验研究对于岩体损伤与破坏预测预警的理论意义等方面,指出了未来岩石蠕变-冲击力学性能研究的方向。

加锚断续节理岩体力学特性的研究及其应用

按应变能等效假设及自洽理论建立了加锚断续节理岩体在复杂应力状态下的本构关系及其损伤演化方程，并将其应用于三峡船闸高边坡稳定性分析中．重点分析了边坡节理尖端产生次生裂纹的可能性及演化长度和用锚固手段减少节理损伤演化区和边坡变形量的效果．结果表明。

高地应力区大型地下洞群的稳定和设计优化研究

采用横观各向同性介质模型对各向异性高地应力地区的地应力场作多元回归分析。运用分析所得的地应力场,对地下洞群的围岩稳定性做了准三维和三维数值分析。在分析中分别采用了岩体弹塑性模型和断裂损伤模型。并对厂房围岩的锚固方案提出了有应用价值的建议。

考虑应变软化效应的裂隙岩体损伤本构模型的开发及应用

地下洞室埋深愈深,应变软化现象愈明显。为研究深部裂隙岩体开挖后巷道围岩的变形特征,基于应变软化模型,结合裂隙岩体损伤及演化本构方程,利用FLAC^(3D)软件的二次开发功能,采用VC++编程语言,建立考虑应变软化效应的裂隙岩体损伤本构模型。以某矿井地下圆形巷道开挖为例,分别采用应变软化模型和自开发的本构模型对该算例进行数值模拟,巷道围岩的位移、塑性区和安全系数的对比结果表明,开发的本构模型能够较好地反映出岩体应变软化特性和裂隙对岩体的损伤作用,可对维护围岩体的稳定性提供参考。

深部岩体动力变形与破坏基本问题

深部岩体非线性力学行为是目前岩石力学界研究的重点和难点,研究的困难在于在很大的动力变形与破坏情况下如何阐述岩体的性质。本文通过对深部围岩变形破坏机理、深部岩体动力破坏过程中的基本问题(时间效应、断裂损伤描述等)以及深部岩体特征科学现象(分区破裂、岩爆理论)等方面的研究成果进行梳理和总结,指出深部岩体力学问题是有效的四维空间问题,是在开挖寿命尺度上应力状态的演化,对深部围岩变形破坏机理的研究必须要建立与时间、空间有关的岩石性质的概念。目前要揭示深部岩体卸荷状态下真实的变形与破坏过程,必须继续在连续介质力学框架内研究基于微、细观物理力学的理论,在强度理论中引入时间参数作为塑性流动和破坏过程的特征,并采用合理的手段描述岩体的断裂损伤,岩爆和分区破裂是一个科学问题的两个现象,应当用统一的理论来解释和模拟,本文研究成果可为今后的研究工作指明方向。

冲击载荷下节理岩体锚固系统剪切动响应分析

锚固节理岩体动力破坏极易在地下工程开发和能源工程中引发灾害。考虑边界效应、岩块-粘结层-锚杆的耦合作用及损伤劣化行为,采用有限元显式动力学方法,改进落锤冲击试验建立了加锚节理岩体侧向冲击三维计算模型,分析了锚杆破断面切应变积聚和动力颈缩破断特征,揭示了加锚节理岩体冲击破坏演化过程及系统的能量演化规律,阐明了粘结层冲击刚度劣化累积损伤机制以及不同边界效应下岩块的冲击速度演化特性。研究结果表明:冲击作用下加锚节理岩体变形破坏响应过程与静载作用下有明显不同,CNL和CNS不同边界效应下锚杆的动力破坏、粘结层的累积损伤以及系统的能量演化规律相似,但由于CNS边界条件提供了额外的法向应力增量,岩体承受更大的法向应力约束,受冲击影响相对较小。所得结论对于揭示岩体锚固动力失效具有一定意义。

危岩体稳定的时间效应分析

危岩在山区较为常见,其裂尖何时失稳扩展直接影响危岩体的长期稳定性。运用断裂力学理论并引入位移外推法,结合ABAQUS软件分析了危岩体应力强度因子。在危岩稳定性断裂力学分析中采用蠕变理论,通过室内单轴蠕变试验结果得出了时间硬化模型参数,模拟了危岩体在自重荷载作用下的蠕变特性。此外,考虑断裂韧度的时间效应,由岩石蠕变试验获得其损伤演化规律,从而建立了危岩的长期稳定系数公式。实例计算表明,危岩裂尖应力强度因子在蠕变过程中的变化趋势和其蠕变曲线具有相似性。根据分析结果拟合出危岩体长期稳定系数曲线,可预测其达到临界失稳条件的时间。

岩石冲击断裂的损伤与分形效应

利用损伤的概念，建立起岩石冲击断裂能及释放能与损伤的关系，并借助于分形几何对冲击断裂的机理作了进一步探讨．

爆破应力波中远区破岩作用分析

应用断裂与损伤力学理论,分析了爆破应力波远区破岩作用机理认为爆破应力波在远区的破坏效应是基于该区域内局部岩体强度和断裂韧度降低,使衰减后的弱应力波作用强度仍可能大于该点处的岩石极限强度所致。提出岩石损伤与缺陷的存在,会产生应力集中或放大效应的依据,并阐述爆破应力波作用下远区原生裂纹扩展的理论分析,给出了基于岩石损伤的裂纹扩展长度估算模型。

峰前和峰后循环荷载下岩石断裂损伤特征

在岩体开挖过程中,循环荷载可能发生在峰值前,也可能发生在峰值后.为获得岩石在峰前和峰后循环作用下的断裂损伤演化特征,采用数字图像相关法和声发射技术,进行了三点弯曲开口花岗岩梁的断裂试验.采用割线模量、声发射能量、有效裂缝长度分别构建了岩石断裂损伤指数D_(E)、D_(AE)和D_(L),并对岩石的断裂损伤过程进行了定量分析.结果表明:岩石试样的损伤指数存在明显的率效应,在相同循环次数下,加载速率越大,其损伤指数越小.对于峰前循环加载条件,采用D_(E)可以较好地反映岩石由弹性阶段向弹塑性阶段的断裂变化过程.而在峰后循环加载条件下,采用D_(L)可以更好地表现岩石从阶梯上升到持续破坏的断裂损伤过程.

粒子浆液射流冲击下岩石动态损伤及破坏效应

粒子浆液射流破岩过程涉及大变形、高应变及强载荷,表现为钢粒-浆液-岩石之间非线性动态耦合问题。针对岩石损伤瞬时多变性及观测困难等问题,开展了粒子与浆液射流冲击下岩石的动态损伤机理及破坏效应研究。首先,基于光滑粒子动力学-有限元模拟(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM)耦合算法描述了粒子-浆液冲击破岩的建模方法;然后,结合JH-Ⅱ(Johnson-Holmquist-Ⅱ)模型与Rankine拉伸断裂软化模型建立了岩石损伤本构模型,对粒子浆液射流冲击破岩过程及损伤机理进行了动态模拟。研究结果表明:岩石的损伤破坏主要以纵向扩展为主,具有瞬时性与阶跃性特征,呈现出“从累积损伤到不断破坏”的循环过程;岩石破坏机理以剪切破碎和拉伸裂纹为主。同时,通过试验和数值模拟对比验证了破岩样本的形态,并分析了冲击速度、角度与粒子尺寸对破岩效应的影响规律。研究结果对于粒子浆液冲击钻井破岩理论的发展具有重要意义。

冻融循环作用下单裂隙类砂岩局部化损伤效应及端部断裂特性分析

寒区饱水裂隙岩体受反复冻融作用影响,沿裂隙端部出现裂纹萌生、延展、偏转、分叉等现象,造成裂隙端部局部化区域损伤,进而诱发端部断裂造成岩体整体失稳。现采用相似材料配制0°,30°,45°,60°,90°的单裂隙类砂岩试样,并对裂隙内部充分饱水,展开10,20,30,50次冻融循环试验,而后观测裂隙端部区域在不同裂隙倾角、冻融循环次数下局部化损伤效应差异规律。藉此,对裂隙岩体在冻融循环作用下的局部化损伤效应进行分析,并结合断裂力学应力叠加理论,验证了因局部化损伤效应造成的裂隙端部断裂特性及扩展路径规律。结果表明:(1)冻融循环作用下单裂隙岩体存在局部化损伤效应,按照局部区域宏观裂纹发育状况,可将裂隙端部划分为:断裂区、渐进损伤区、系统损伤区;(2)随着裂隙倾角增大,冻融循环过程造成的局部化损伤效应越不显著,对应的声波波速值越大;(3)冻融循环过程中,主要在30°,45°,60°斜裂隙岩体出现主裂纹分叉、偏转现象;(4)裂隙角度愈缓,冻融循环作用造成的主裂纹偏转现象越早产生,偏转方向逐渐趋于水平,且沿初始裂隙走向的延展长度越短;(5)冻融循环引起局部化损伤在上下端部存在差异,裂隙下端部较早发生宏观断裂,且倾角越大,差异现象越明显。研究将为冻融作用下裂隙岩体局部损伤及端部断裂演化规律提供技术参考。

循环冲击损伤后大理岩静态断裂力学特性研究

为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特性,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)系统先对中心直切槽半圆盘(notchedsemi-circularbend,NSCB)试样开展固定气压下的循环冲击损伤试验,以制备不同初始损伤程度的一批试样,然后对其进行静态三点弯曲断裂试验。结果表明,在动态损伤试验中,随循环冲击次数增加,试样内部亚临界裂纹不断萌生并低速扩展,等能量冲击下其动态峰值应力和弹性模量均有所降低。在三点弯曲断裂试验中,静态断裂力学性能随试样累积损伤的增加而不断劣化:断裂韧度的最大降幅为52.37%,破坏位移最大增长140.49%;断裂韧度与动态累积损伤变量呈线性负相关关系,数据拟合的可决系数R^2达0.98;声发射事件时间分布趋于均匀,总累计事件数大幅增加。试样破坏时从预制裂缝尖端处起裂,然后扩展至加载点,随冲击损伤的加剧,扩展路径趋于曲折,局部应变集中带能很好地预示其最终破坏形态。