【求助】如何判断岩石结构的稳定性

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[15] 关于潘岳讨论的答复  
  
首先十分感谢潘岳教授及申建红讲师对拙作"准脆性材料应变软化尺度效应理论研究"的关注和有益讨论.现就潘岳教授等所提出的问题,尽己所能答复如下.

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[16] 考虑应变梯度效应的低碳钢试样单向拉伸尺寸效应理论研究  
  
采用二阶应变梯度塑性理论,得出伸长率、峰值应力后工程应力应变曲线和真应力应变曲线的解析解,结果表明三者均具有尺寸效应.将低碳钢试样的单轴拉伸简化为轴向的一维问题.采用拉伸过程中体积不变假设及平衡条件,将应变梯度引入屈服函数,得到伸长率、平均应变及真应变的解析式.理论结果完全反映伸长率与标定长度呈反比的客观事实.工程应力应变曲线尺寸效应可以在数值结果中找到佐证.拉应变局部化是三者尺寸效应的本质原因.

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[17] 剪切带内部应变(率)分析及基于能量准则的失稳判据  
  
应用应变梯度塑性理论对局部化剪切带内部(塑性)剪应变(率)规律进行了理论分析.研究了剪切降模量及岩石材料内部长度等参数对剪切带内部应变(率)的影响.推导了剪应力(率)与剪切带相对错距(速度)的本构关系.研究了剪切降模量和岩石材料内部长度对剪切带稳定性的影响.将岩石试件直剪试验试验机简化为钢块,采用能量准则对岩石试件(剪切带)及钢块系统的稳定性进行了理论研究,提出了系统失稳判据.研究表明:岩石材料的剪切降模量越大,岩石材料的内部长度越小,试验机的剪切刚度越小及试验机的等效高度越大剪切带--钢块系统越容易失稳.

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[18] 基于应变梯度理论的岩石试件剪切破坏失稳判据  
  
研究了由于剪切局部化而引起的岩样系统的失稳判据.将剪切带比拟为"试件",而带外弹性体则被比拟为"试验机".岩样系统是否将发生剪切失稳破坏,关键取决于:岩样高度、剪切弹性模量、剪切降模量、岩石材料内部长度参数及剪切带倾角.一旦岩样系统满足Ⅱ类变形的条件,则岩样系统必发生剪切失稳破坏.采用笔者提出的理论公式,可以用来分析和预测矿柱岩爆的倾向性.根据剪切应变梯度塑性理论来分析岩样单轴压缩剪切破坏问题的优越性在于:不仅考虑了局部化带的宽度,得到了局部化带内应变的分布规律,而且局部化带就是剪切带,比较符合岩样单轴压缩破坏的实际情况.

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[19] 平面应变岩样局部化变形场数值模拟研究  
  
在FLAC3D的基础上开发了后处理程序,对应变软化岩样的剪切局部化变形场(包括:速度场、应变率场、体积应变率场及位移场)进行了数值模拟研究.考虑扩容效应后,剪切带的倾角和宽度均增加,剪应变率的局部化程度降低.剪切带倾角和宽度的增加对岩样的塑性性质影响正相反.两条共轭剪切带将岩样分割成具有整体平移特性的4个小块体,每个小块体内部的位移场是比较均匀的,而剪切带附近的位移具有较大的位移梯度.剪切应变率(或应变)局部化区域与体积应变率(或应变)的位置重合,局部化区域就是岩样最终的破坏位置.

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[20] 准脆性材料试件应变软化尺度效应理论研究  
  
研究了由于剪切局部化而引起的试件长度的尺寸效应.基于可以考虑微结构相互作用的非局部理论,得到了非局部塑性剪应变与局部塑性剪应变及其二阶应变梯度的关系.通过获得剪切带内部的塑性剪切应变,得到了岩样轴向的平均应变与位移的理论关系.研究结果表明,这一关系具有尺寸效应.随着试件高度的增加,应力-应变曲线变陡;当试件高度非常大时,发生II类变形行为,而且,随着剪切带倾角的增加,应力-应变曲线也变陡.将理论结果与前人的试验结果进行了比较,结果表明吻合良好.

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[21] 平面应变状态下岩石剪切带网络数值模拟研究  
  
研究了围压、端面约束、试件高度及界面特性对剪切带网络形成的影响.首先对影响剪切带网络形成的因素(包括试件高度、围压及温度、试件端部轴向应变大小的计算方法的差异)进行了分析.之后采用FLAC 3D对平面剪切带网络进行了数值模拟,其中摩擦角及内聚力为应变软化.探讨了倾向于出现剪切带网络的若干条件.若端面缚束较强且存在一定的侧压力,试件中部出现多重剪切带.若端面缚束较弱,试件端部易于形成剪切带网络,且随试件高度的增加剪切带条数增加.界面法向和切向刚度越大,剪切带穿越断层并按其固有方向延伸能力越强,剪切带网络格局越明显.获得的数值结果可在实验中找到佐证,并且可以用来解释地震中的一些剪切应变局部化现象.

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[22] 基于梯度塑性理论的单向拉伸低碳钢试样颈缩分析  
  
采用非局部的梯度塑性理论,得到了断面收缩率及颈缩区内部不同位置直径的解析解.应变软化越严重,颈缩程度越大.在颈缩区域中部,半径最小.在颈缩区域内轴向拉应力分布是不均匀的,在颈缩区域中部,其值最大,而在颈缩区域边缘,其值最小.随着流动拉应力的降低,颈缩区域中部的真应力持续增加.在应变软化过程中,断面收缩率持续增加,但增加的速度越来越慢.梯度塑性理论可以较好的描述低碳钢等韧性金属材料的局部化颈缩现象.

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[23] 动力应变局部化传播及尺寸效应数值模拟  
  
采用FLAC-3D模拟了应变软化岩土材料局部化剪切带的发展、扩容对剪切带倾角的影响及试件的宽度效应.随着加载时步的增加,彼此孤立的两个应变场逐渐靠近、叠加,最终形成了剪切带网络.无论端面约束强或弱,剪切带的倾角的数值模拟结果都与罗斯科倾角比较接近.增加试样宽度,剪切带的宽度增加,剪切带变得不平直;宽度越大,岩样上端面中点的压应力-加载时步曲线的峰值强度越大,宽度对弹性阶段没有大的影响.

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[24] 岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究  
  
试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案.采用FLAC-3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响.试样端部的缚束作用较强时,仅在试样中部出现X形的剪切带;反之,在试样端部出现了倾斜的剪切带.压头刚性越大,剪切带倾角越大.块体具有整体平移的特性,剪切带边缘位移梯度却较大,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质.数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证.

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[25] 剪切带倾角尺度律与局部化启动跳跃稳定研究  
  
研究了剪切带倾角是如何依赖于岩样高度以及剪切带的不稳定性.建立了准脆性材料试件剪切带倾角尺度效应模型,得到了翦切带倾角尺度效应的解析解,且与实验结果比较相符.研究结果表明:剪切带倾角随着试件高度的增加而增加,但其增加幅逐渐减缓,最终趋于稳定值.笔者还对剪应变局部化启动、跳跃和稳定进行了理论分析,解释了实验所观测到的剪切带跳跃现象和砂岩岩样应变局部化较煤样滞后的原因.剪应变局部化是否发生跳跃,关键取决于全程应力-应变曲线软化段是否存在拐点.对于没有拐点的情形,宏观剪切带图案不跳跃.局部化是导致准脆性材料试件剪切带倾角尺度效应的原因.

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[26] 涉及流体的岩土工程自然灾害统一机制探讨  
  
渗透系数依赖于塑性剪切应变(率).塑性区可以进一步划分为剪应变局部化区和非剪应变局部化区,采用应变梯度塑性理论将是描述塑性区内应变局部化区的材料性质矩阵的较好方法之一.涉及流体的岩土工程自然灾害统一机制的过程可以分为4个阶段1)在孔隙流体存在的条件下岩土材料分叉,应变局部化启动;(2)应变局部化导致岩土材料剪胀或剪缩;(3)剪胀或剪缩引起孔隙流体的流向应变局部化区或流出应变局部化区的渗流运动;(4)在流体作用下岩土结构失稳.将涉及流体的岩土工程中自然灾害的发生机制统一在同一理论框架之中,有助于对这些灾害发生机制的认识和理解,而且对其预测乃至防治也会产生积极的意义.

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[27] 井眼变形局部化剪切带数值模拟研究  
  
井眼剪切破坏是井眼岩石基本破坏形式之一.国际上,在非线性固体力学的研究中,局部化和剪切带等问题已成为研究的热点问题之一.文中采用FLAC3D对在类似于平面应变条件下的井眼进行了数值模拟研究,由模拟结果可见明显的变形局部化现象.采用变形局部化的数值模拟研究可对井眼失效的机理分析、预测和控制提供新的思路.

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[28] 剪切带-弹性岩体系统的稳定及失稳滑动理论研究  
  
首次应用应变梯度塑性理论对剪切带-弹性岩体的稳定及失稳滑动进行了理论分析,得到了剪应力与剪切带上、下盘相对错动位移的理论关系,提出了采用软化段剪应力-相对错动位移的斜率来评价系统稳定性的方法.研究结果表明:剪切带上、下盘弹性岩石宽度越大,岩石材料剪切带宽度(或内部长度)越小,剪切弹性模量越小及降模量越大系统越不稳定;试验机剪切模量越小,岩样-试验机系统越容易失稳.

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[29] 基于应变梯度理论的韧性剪切带理论研究  
  
地质领域中存在的大量事实都可以归为应变局部化范畴,韧性剪切带是剪切应变局部化带.本文首次应用应变梯度塑性理论对韧性剪切带进行了理论分析.获得了韧性剪切带内部局部剪应变(率)分布规律,剪切带错动总位移及剪切带法向位移的理论表达式,以及韧性剪切带内部体积应变(率)和孔隙率分布规律.剪应变局部化导致了体积应变和孔隙率局部化.随着应变软化的加剧,剪应变、体积应变和孔隙率局部化加剧;随着应力率绝对值的增加,剪应变率、体积应变率集中程度增强.

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[30] 井眼剪切带分叉研究  
  
井眼基本破坏形式是由于不稳定性造成的井眼岩石崩落坍塌和剪切带.井眼破坏的非均匀性采用传统的理论和方法不能得到较好的解释和预测.采用材料的分叉分析方法和变形局部化的数值模拟研究,可望对井眼失效的机理分析、预测和控制提供新的思路.

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[31] 岩体假三轴压缩及变形局部化剪切带数值模拟  
  
岩体试件应力-应变全过程曲线、剪切带图案及其演化规律不仅在理论上,而且在工程实践中有着重要的意义.利用快速拉格朗日分析法模拟了尺寸效应、加载速率和围压等因素对假三轴试件抗压应力-应变全过程曲线,变形局部化启动、稳定、剪切带图案及演化规律的影响.

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[32] 岩石试件尺寸效应的塑性剪切应变梯度模型  
  
利用剪切应变梯度塑性理论,假设剪切带内部的岩石为剪切破坏,建立了单轴受压岩石试件尺寸效应的塑性剪切应变梯度模型,并模拟了剪切带倾角、参数k1和k2对单轴受压岩石试件软化段应力-应变关系的影响规律.局部化是尺寸效应的原因.

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[33] 考虑围压及孔隙压力的岩石试件应力与应变关系解析  
  
假设剪切带内部的岩体为剪切破坏,利用剪切应变梯度塑性理论,解析得出了考虑围压和孔隙压力的岩石试件应力与应变的关系,解析解与众多的实验研究结果比较一致,围压效应和孔隙压力效应是局部化所致,这一研究结果对于自然灾害的防治有一定的理论和实际意义.

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[34] FLAC3D在岩石变形局部化数值模拟中的应用  
  
采用FLAC3D,对试样的尺寸效应、二块体地震模型、五块体地震模型和厚壁圆筒模型进行了变形局部化数值模拟研究.所获得的模拟结果是合理的,可以在一定程度上解释自然灾害中的变形局部化现象.