岩石细观统计损伤模型 PPT
岩石细观损伤力学基础-概述说明以及解释
岩石细观损伤力学基础-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在岩石力学研究领域，细观损伤力学是一个重要的研究方向。
岩石作为一种复杂的非均质材料，其力学性质与内部微观结构之间存在着密切的关系。
研究岩石的损伤力学，可以深入理解岩石在受力过程中的变形与破坏机理，为岩土工程和地质灾害预测提供科学依据。
细观损伤力学从微观尺度上研究岩石内部的微观破裂与变形行为。
通过观察和分析岩石的细观损伤特征，可以揭示岩石的力学性能、破坏机理及其变形规律，从而为岩石力学与岩土工程领域提供重要的理论基础。
文章将介绍细观损伤力学的概念和研究方法，使读者对该领域有一个整体的认识。
首先，将概述岩石细观损伤力学的研究背景和意义，介绍其在岩石力学中的应用价值。
随后，将对文章的结构和内容进行说明，明确每个章节的主要内容。
最后，明确研究的目的，即通过对岩石细观损伤力学的深入研究，为岩土工程的设计和施工提供理论指导并探索新的研究方向。
通过本文的细观损伤力学研究，我们希望能够为岩石力学领域的科研工作贡献出一份力量，为岩土工程的发展和地质灾害的防治提供有力支持。
同时，我们也希望能够通过对岩石细观损伤力学的研究，探索出更加准确、可靠的岩石力学模型，并为岩石材料的性能评价和工程实践提供参考依据。
1.2文章结构文章结构部分的内容：文章主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分概述了文章的主题和研究对象，说明了岩石细观损伤力学的重要性和应用领域。
同时，简要介绍了文章的结构，以帮助读者理解整个文章的脉络和内容。
正文部分主要包括两个内容：岩石细观损伤力学的概述和岩石细观损伤力学模型。
在岩石细观损伤力学的概述中，首先介绍了岩石的组成和结构特点，以及岩石在受力作用下的行为。
然后，探讨了岩石细观损伤力学的基本概念和理论基础，包括损伤、断裂和弹性等基本概念，为后续的模型建立打下基础。
在岩石细观损伤力学模型部分，列举了目前常用的岩石细观损伤力学模型，如弹塑性模型、松弛模型等。
单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究
单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究一、本文概述本文旨在深入研究单轴压缩下岩石损伤演化的细观机理，并探讨其对应的本构模型。
通过对岩石在单轴压缩过程中的微观破坏行为进行详细分析，揭示岩石损伤演化的内在机制，进而建立能够准确描述岩石力学行为的本构模型。
这一研究对于理解岩石的力学特性、预测岩石工程的稳定性和优化岩石工程设计具有重要意义。
在概述部分，本文将首先介绍单轴压缩试验的基本原理和方法，以及其在岩石力学研究中的应用。
随后，将概述岩石损伤演化的基本概念和研究现状，包括岩石损伤演化的定义、分类、影响因素等。
在此基础上，本文将提出研究目的和意义，明确研究内容和方法，并简要介绍论文的结构和主要研究成果。
通过本文的研究，我们期望能够深入理解岩石在单轴压缩下的损伤演化过程，揭示其细观机理，并建立相应的本构模型。
这将有助于我们更好地预测和控制岩石工程的稳定性和安全性，为岩石工程的设计、施工和维护提供科学依据。
二、单轴压缩岩石损伤演化细观机理在单轴压缩条件下，岩石的损伤演化细观机理是一个复杂而关键的科学问题。
单轴压缩是指岩石在单一轴向压力下发生的变形和破坏过程，它是岩石力学中最基本也是最重要的试验手段之一。
在这个过程中，岩石内部的微裂纹、微孔洞等损伤会不断演化，最终导致岩石的宏观破坏。
岩石在单轴压缩过程中，由于其内部存在的非均匀性和初始损伤，会导致应力分布的不均匀。
在应力集中区域，微裂纹会首先产生并扩展。
这些微裂纹的扩展方向往往与最大主应力方向一致，形成所谓的“翼裂纹”。
随着应力的增加，微裂纹会不断扩展、连接，形成宏观裂纹，导致岩石的整体强度降低。
岩石的损伤演化过程中还伴随着能量的耗散和释放。
在微裂纹产生和扩展的过程中，会消耗一部分外部输入的能量，并以热能的形式释放出来。
同时，岩石内部的损伤还会导致其弹性模量、泊松比等力学参数的降低，进一步影响岩石的应力-应变关系。
岩石的损伤演化还受到多种因素的影响，如岩石的矿物成分、颗粒大小、孔隙率、温度、压力等。
单轴压缩下砂岩断裂试验及细观统计损伤模型
单轴压缩下砂岩断裂试验及细观统计损伤模型李汉章;束加庆;王海军;任旭华;汤雷【摘要】岩石是典型的非均匀性材料,含有裂纹、颗粒胶结面等缺陷,建立三维岩石损伤破裂本构模型,真实模拟岩石宏细观力学特性,是岩石损伤力学中的首要问题之一.通过赋予损伤后细观单元一定的承压能力,使其成为\"接触单元\",模拟压缩状态下的物质接触愈合作用,建立考虑细观单元残余强度的统计损伤本构模型,给出损伤变量的演化规律,采用Weibull双参数分布模拟岩体细观参数的非均匀性和随机性,编制程序实现了三维模型的单轴压缩计算.开展圆柱形砂岩单轴压缩物理试验,将基于细观统计损伤模型的计算结果与物理试验结果对比.结果表明,数值模拟结果与砂岩单轴压缩试验中宏观弹性模量及单轴抗压强度一致,应力应变曲线相吻合.基于考虑细观单元残余强度的本构模型可以准确模拟砂岩试样逐渐从细观损伤累积到集聚成核断裂扩展直至破坏的全过程,数值模拟最终破坏形态特征与物理试验一致.验证了模型的有效性,为进一步采用本构开展不同荷载条件及岩体工程分析应用奠定了基础.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】7页(P36-42)【关键词】岩石力学;细观力学;统计损伤模型;岩石破裂;砂岩【作者】李汉章;束加庆;王海军;任旭华;汤雷【作者单位】河海大学,江苏南京 210098;江苏省电力设计院,江苏南京 211102;南京水利科学研究院,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;河海大学,江苏南京 210098;南京水利科学研究院,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029【正文语种】中文【中图分类】TU43在外荷载和环境作用下，材料的微缺陷如微裂纹、微孔洞等的出现和扩展而导致其宏观力学性质逐步裂化的过程称为损伤[1]。
而损伤力学是专门研究含微裂纹或微孔洞介质材料损伤的演化发展直至破坏的学科，由Kachnov[2]和Rabotno[3]创立，现已被广泛应用于各个工程领域，成为固体力学研究的一个前沿。
岩石细观本构关系与统计损伤模型
1岩石非均匀性及其描述
岩石的非均匀属性不是一个静态变量，而是随时间或 加载历史而发展的动态变量。
在岩石内部原有非均匀性和内部缺陷的基础上，由于 外载荷的作用而发生破裂或内部缺陷发生扩展也必将进 一步增加自身的非均匀程度。 相对均匀的岩石介质，由于破裂的出现，介质的力学 性质也将从均匀向非均匀演化。
因此，岩石的非均匀性及其变化规律是岩石破 裂过程研究中必须考虑和重视的重要因素。
1岩石非均匀性及其描述
岩石介质组成统计理论描述
岩石介质的构成是非常复杂的， 通常对其进行数学描述是非常困难 的。 但是如果将岩石介质进行离散，
图 5-2 微体示意图
V
则可以利用统计的方法进行近似的
描述。
基元体示意图
其临界条件即为相变点
3 RFPA的强度准则
RFPA系统采用了修正后的库仑（Coulomb）准则（包 含拉伸截断Tension cut-off）作为基元相变临界点
1 Sin 1 (1 Sin ) 3 c , 1 c 1 1 ( 1 Sin ) 1 Sin or 1 Sin 1 3 t , 1 c 1 1 Sin
1岩石非均匀性及其描述
假设这些离散后的基元体力学性质的分布是统计性的， 而且引入Weibull统计分布函数来进行描述 ：
m e 0 0 式中：α —— 岩石介质基元体力学性质参数（强度、弹 性模量等）； α0 —— 基元体力学性质的平均值； m —— 分布函数的形状参数，其物理意义反映了岩石介 质的均质性，定义为岩石介质的均匀性系数； Φ(α)—— 是岩石基元体力学性质α的统计分布密度（其单 位为Mpa-1）。
考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型研究
m ε m ε = (1 − δ ) E + δE 1 − m c exp − c = 0 F ε =ε c F (6) 同时在峰值强度点 C( ε c ， σ c )处应满足如下关
来描述，其概率密度函数为 m −1 ε m m ε P(ε ) = exp − FF F
，11]
，未见
到有考虑岩石尺寸效应的。为了给岩土工程数值分 析时本构模型的合理选取提供一定的参考依据，本 文初步提出一个单轴压缩下考虑尺寸效应的岩石损 伤统计本构模型，并利用不同尺寸岩样的试验结果 对提出的本构模型进行了验证。
为
σ = Eε (1 − δD )
度，通过最优化方法获得。
(4)
式中： δ 为岩石损伤比例系数，反映岩石的残余强
m* D * = 1 − exp − * F * E = A( S ) E 2 * F = B( S ) F2 m * = C ( S )m 2
图 1 RMT–150B 型刚性伺服试验加载系统 Fig.1 RMT–150B model rigid servo-controlled experiment loading system
STUDY ON STATISTICAL DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL OF ROCK CONSIDERING SCALE EFFECT
YANG Sheng-qi1，XU Wei-ya1，SU Cheng-dong2
(1. Institute of Geotechnical Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China； 2. Department of Resources and Material Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454159，China)
岩石破坏过程中的损伤统计本构模型
岩石破坏过程中的损伤统计本构模型游强;王军保【摘要】Statistical damage mechanics is an effective method by inversing constitutive relation based on the data of triaxial experiment in rock failure. Taking the Hoek-Brown damage criterion as the distribution variab and taking advantage of the strain-equivalence hypothesis, a rock damage constitutive model is established under triaxial stress state based on the strength characteristics of rock micro-unit with power function distribution. Then the constitutive model is verified by test data of triaxial experiment and the result indicates that the proposed constitutive model can reflect the relationship between stress and strain of rock and the process of rock failure accurately. So,the proposed constitutive model is rational and feasible. Through a discussion on the parameters m and F0 in the constitutive damage model, it is believed that F0 represents the strengthof rock, m represents the strength and brittleness of rock. They are not independent but interrelated.%统计损伤力学是依据岩石破坏过程中的三轴试验资料反推其本构关系的一种有效手段.假定岩石微元强度服从幂函数分布的概率分布理论,将Hoek - Brown强度准则作为岩石统计分布变量,建立了岩石损伤变量演化方程和岩石在三维应力作用下的损伤统计本构模型,并用试验资料对其进行了验证.通过将理论结果和试验结果进行对比发现:该模型能够比较好的反映岩石的本构关系和破坏过程,从而说明了模型的合理性和可行性；模型分布参数F0反映了岩石的强度,m反映了岩石的强度和脆性程度,但二者不是相互独立的,而是具有内在联系的.【期刊名称】《桂林理工大学学报》【年(卷),期】2011(031)002【总页数】4页(P225-228)【关键词】岩石;损伤;本构模型;幂函数分布;Hoek - Brown准则【作者】游强;王军保【作者单位】宜宾学院经济与管理学院,四川宜宾644000;重庆大学土木工程学院,重庆400045【正文语种】中文【中图分类】TU452岩石是一种非常复杂的工程介质,其本构关系研究一直是岩土工程界的重点问题之一。
岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究
第30卷第11期 岩 土 力 学 V ol.30 No. 11 2009年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2009收稿日期：2008-05-29基金项目：国家自然科学基金项目（No. 50674040）；江苏省研究生培养创新工程项目（No. CX07B_128z ）；国家自然科学基金、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金重点项目（No. 50539090）。
第一作者简介：倪骁慧，男，1979年生，博士研究生，主要从事岩石力学方面的工作。
E-mail: nxh2004@文章编号：1000－7598 (2009) 11－3283－08岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究倪骁慧1, 2，朱珍德1, 2，赵 杰1, 2，李道伟1, 2，冯夏庭3（1. 河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098；2. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；3. 中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071）摘 要：设计基于扫描电镜（SEM ）的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案，实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。
应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验，对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析，得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据，从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制，并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中，但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。
试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。
关 键 词：细观力学；岩石破裂全过程；数字化细观损伤力学试验方案；SEM 图像处理程序 中图分类号：TU 458 文献标识码：AMeso-damage mechanical digitalization test of complete process of rock failureNI Xiao-hui 1, 2，ZHU Zhen-de 1, 2，ZHAO Jie 1, 2，LI Dao-wei 1, 2，FENG Xia-ting 3（1. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Key Laboratory of Ministry of Education for Goemechanics and EmbankmentEngineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China ）Abstract: A new meso-mechanical testing scheme based on SEM is developed to carry out the experiment of microfracturing process of rocks. The image of microfracturing process of the specimen can be observed and recorded digitally. The microfracturing process of Jinping marble specimen in Sichuan province under uniaxial compression is recorded by using the testing scheme. Quantitatively investigated the propagation and coalescent of cracks at meso-scale with digital technology, the basic geometric information of rock microcracks such as area, angle, length, width, perimeter, are obtained from binary images after segmentation. The failure mechanism of specimen under uniaxial compression with the quantitative information is studied from macro/micro scopic perspective. The result shows that during the damage of the specimen the distribution of microcracks in the whole specimen are still subjected to exponential distribution with some microcracks concentrated in certain regions. The conclusion indicates that the testing scheme is applicable. Key words: micromechanics; complete process of rock failure; digital micromechanics testing scheme; SEM image processing program1 引 言材料细观结构演化导致宏观力学行为改变一直是固体力学和材料科学研究的热点。
岩体断裂损伤力学PPT演示课件
12 — 压剪系数 13 — 压扭系数
K c — 压缩状态下的剪切断裂 韧性 K c — 压缩状态下的扭剪断裂 韧性
20
§3.岩石断裂试验：
目的是测定岩石断裂韧度
一.室内实验
（一）圆形试件，拉伸试验 在圆形中部由人工预测一个环行裂纹，然后将试件拉伸，
并测量断裂韧度，测得
K
net
s 0 scr — 预测s的大小
18
式中
a11
1
16
1
cos
k
cos
a12
1
16
sin 2 cos
k
1
a22
1
16
k
11
cos
1
cos
3cos1
a33
1
4
3 4v
(平面应变）
k 3 v 1 v （平面应力）
①裂纹的初始扩展方向是切向正应力 的最大值方向
②沿着这个方向的应力强度因子达到临界值时裂纹将开始扩展
在平面应力情况下, 裂纹尖端的应力分布的极坐标表达式为:
r
1
1
22r 2
K
3
cos
cos
2
K 3cos
1sin
2
1
1
22r 2
r — 单位面积的表面能 4
在封闭系统中整个系统位能改变量
E2
E1
Wc
Ws
We
a 2
4ar E
2
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§基元的引入
◆ 细观力学认为；通过细观单元的变形、破坏的个体行 为的积累来反映宏观行为的演化，为研究介质变形和破 裂的宏观行为提供了一种新的途径。所谓的基元，是构 成介质的基本细观尺度单元，是在物理力学性质方面能 够代表介质特征的最小单元。基元是介质破裂研究最基 本的单位，破裂就是基元的破裂，比基元更小的破坏是 不存在的。在岩石破裂过程分析RPFA系统中，为了能 够充分考虑介质力学性能的非均匀性以及由这种非均匀 性引起的变形、破裂过程的复杂性，我们引入了三种特 性的基元，即基质基元、空气基元和接触基元。
§基元的三种形态
◆ 接触基元；压、剪破坏后的基元在一定范围内维持残余强度状
态。但是，对于现实中的介质来说，破坏后的介质在继续受压应 力、特别是各向均受压应力的条件下，将出现所谓的压密或压实 现象，其力学表现则是压密后的介质刚度不仅不降低，反而出现 上升。对于已经形成的裂纹面而言（即空气基元），当裂隙两面 的介质在压应力作用下产生接触时，则应力仍可以通过接触面传 递。这时，则可以通过激活空气基元，使其刚度增加，起到传递 应力的作用。这就是所谓的接触基元特性。在上述两种情况下， 接触基元只能传递压应力，而不能传递拉应力。即当存在拉应力 时，接触基元立刻转化成空气基元。
§RFPA方法的主要要点
◆ 将材料的不均质性参数引入到计算单元，宏观破坏是 单元破坏的积累过程。
◆ 认为单元性质是弹-脆性或弹-塑性的，单元的弹模和 强度等其他参数服从某种分布，如正态、韦伯、均匀 等。
◆ 认为当单元应力达到破坏的准则将发生破坏，并对破 坏单元进行刚度退化处理，故可以以连续介质力学方 法处理物理非线性介质问题。
◆ 为了解决岩石破裂过程的分析，采用有限元法、有 限差分法、边界元法、离散元法等数值模拟方法在全 面解决复杂的岩土工程问题，例如岩石材料的非线性 问题、岩体中节理、裂隙等不连续面对分析计算的影 响等等方面不同程度的存在缺陷。 1995年软件系统创 始人唐春安教授针对这些问题提出了基于有限元基本 理论，充分考虑岩石破裂过程中伴随的非线性、非均 匀性和各向异性等特点的新的数值模拟方法“RFPA 方法”，即真实破裂过程分析方法。
§非均匀介质单元划分标准
◆ 从提高计算速度的角度讲：自然是单元取得大些比较 合适，但较大的单元不仅不能反映细观非均匀的力学 性质，使模型不能很好地反映工程实际，而且较大的 单元尺寸本身也会给计算带来较大的误差。
◆ 从计算精度的角度讲：在计算机速度允许的情况下， 应尽可能的将单元划分得小些，这样不仅能够使模型 更加真实地反映实际，而且也有利于提高计算的精度。
§非均匀介质单元划分标准
◆ 单元大小的划分标准：根据精度，是否将单元划分的越
小越好呢？未必！大家知道，在断裂力学中，为了数学 处理的方便，裂纹的两端被假设为无穷小的尖端。然而， 按照这一假设，所计算出的裂纹尖端处的拉应力为无穷 大。这意味着什么？意味着只要给定任意有限值得加载， 裂纹便会迅速扩展，这显然是与实际情况不相符的。造 成这一错误结论的原因是，在现实的介质特别是岩石介 质中，裂纹尖端实际上是有一定尺度的。这一尺度是与 介质的基本细观性质有关的，我们称之为介质的细观特 征尺度。因此， 单元大小的划分标准为：只要数值模型 中的单元尺寸能够反映或者基本反映这种细观特征尺度， 那么该模型的单元尺寸就是合理或者基本合理的。
§基元的三种形态
◆ 基质基元；是指基元在模型中的当前功能为实体介质。它 的性能由岩石的本构关系来描述。
◆ 空气基元；是指基元在模型中的当前功能为虚体特性。当 单元介质在拉应力条件下发生断裂后，形成断裂面。就断 裂面的物理本质而言，也就是应力的传递在此出现不连续 或中断。通常的数值计算方法解决这一问题的方法是将单 元中的节点分开，或者是将单元从模型中去掉。但是，这 样做的结果使得模型的数学处理变得极其复杂，而且一般 不适合多裂纹、特别是多裂纹相互交叉的情形。RFPA系 统采用的裂纹处理方法，即空气基元。当基元介质发生断 裂后，我们不是将该单元从模型中去掉，而是用弹模极低 的基元性质取代原有的实体基元的性质，由于新的基元弹 模极低，可以近似的认为实体介质的行为已不存在，这样 在不改变模型数学结构的前提下，却可以使得模型在总体 特性上能够反映出因基元破裂而引起的物理特性的改变。
岩石细观统计损伤模型
主要内容
第一部分 RFPA系统概述 第二部分 RFPA系统的基本原理 第三部分 RFPA-Basic可研究的问题 第四部分 RFPA-Basic软件平台介绍 第五部分 工程算例模拟演示
一、RFPA系统概述
§RFPA系统概述
◆ RFPA是Realistic Failure Process Analysis的简称。 它是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材 料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材 料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。该方 法的一个重要特色是考虑了材料性质的非均匀性， 是一种通过非均匀性模拟非线性、通过连续介质力 学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分 析新型数值分析方法。
§RFPA系统概述
◆ 岩石力学问题，广义的讲包括岩石的破坏问题。岩 石之所以产生非线性变形，是因为岩石在受载过程中 其内部不断产生微细破裂的缘故。这种微细破裂的不 断发展便导致最终的宏观破裂。通常的有限元方法尽 管可以模拟演示的非线性变形，但只是在宏观上的一 种“形“神似”。
◆ 认为岩石的损伤量、声发射同破坏单元数成正比。
二、RFPA系统的基本原理
RFPA是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹 性损伤理论及其修正后的Coulomb破坏准则为介 质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统。 其基本思路是：
•岩石介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，岩石 介质在细观上是各向同性的弹-脆性介质； •假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规 律（本书引入韦伯分布），由此建立细观与宏观介质力学 性能的联系； •按弹性力学中的基元线弹性应力、应变求解方法，分析模 型的应力、应变状态。RFPA利用线弹性有限元方法作为应 力计算器； •引入适当的基元破坏准则（相变准则）和损伤规律，基元 相变临界点用修正的Coulomb准则和拉伸截断的库仑准则； •基元的力学性质随演化的发展是不可逆的； •基元相变前后均为线弹性体； •岩石介质中的裂纹扩展是一个准静态过程，忽略因快速扩 展引起的惯性力的影响。