单轴压缩条件下岩样应变局部化剪切带的数值模拟研究

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岩石剪切带单轴压缩应变软化影响因素研究

岩石剪切带单轴压缩应变软化影响因素研究陈康，赵光明，孟祥瑞( 安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001 )摘要: 岩石属于准脆性材料，在单轴压缩的条件下的应力先是随着应变的增加而增加，当应力达到最大值时，应力开始下降，试件呈现应变软化行为。

为研究岩石试件单轴压缩时应力－应变软化段的影响因素，基于位移法得到岩石试件单轴压缩时应力－应变曲线软化段的斜率的解析式，并利用 FLAC 2D软件针对不同剪切带与主应力的方向的夹角 α 和不同高宽比的岩石试件进行单轴加载数值模拟结果分析并对解析式进行结果验证。

关键词: 单轴压缩; 应变软化; 剪切带; 数值模拟中图分类号: T D313文献标志码: A文章编号:1003 － 496X ( 2013) 03 － 0029 － 04 I n fl u e n c e F ac t o r s R es e a r c h on Uniaxial C o mp r ess i o n S t r a i n So ft e n i n g in Rock S h e a r Z o n eCHEN K ang ，ZHAO Guang － m i n g ，MENG X i a n g － r u i( S choo l of En e r gy and S a f e t y ，Anhu i U n i v e r s i t y of S c i e nc e and T e chno l ogy ，H ua i nan 232001，Ch i na )Ab s tr ac t : The rock i s qu a s i － b r i tt l e m ater i a l ． Under th e co nd i t i o n o f un i a x i a l co mp ress i o n ，stress i n crease s w i t h the i n crea se of a x i a l stra i n f i rst l y ，w h e n the stress reac he s the m a x i mum va l u e ，t h e stress b e g i n s to d ec li n e ，s p ec i m e n presents stra i n softe n i n g b e h av i o r ． To research the effec t facto rs of stre ss － stra i n softe n i n g segme nt in s i n g l e a x i s co mp re ss i o n of rock s p ec i m e n ，t h e s l o p e a n a l yt i c e x p re ss i o n of stre ss － stra i n curve so fte n i n g se gmen t du r i n g s i n g l e a x i s co mp re ss i o n of rock s p ec i m e n are go t base d on d i s p l ace m e n t m et h o d ，a nd FLAC 2D software are used to a n a l y ze un i a x i a l l oa d i n g s i mu l at i o n re s u l ts i n c l ud i n g a n g l e α formed by d i ff ere n t shear zone and p r i n c i p l e stre ss d i rect i o n and rock s p ec i m e n w i t h d i ffe re n t a spec t rat i o ，a nd the a n a l y t i c e x p re ss i o n i s ve r i f i e d by th e res u l t ． K e y w o r d s : un i ax i a l co mp ress i o n ; stra i n softe n i n g ; shear zo n e ; num er i ca l s i mu l at i o n剪切带并直至发生失稳破坏。

岩石单轴压缩端部效应的数值仿真分析

㊀第３０卷第６期㊀㊀２０１３年６月
长㊀江㊀科㊀学㊀院㊀院㊀报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ
Ｖｏｌ．３０㊀Ｎｏ．６㊀㊀Ｊｕｎ．２０１３㊀㊀２０１３，３０（０６）：６８－７１
分析，得出端部效应的影响与垫板的刚度性质有关的结论。文献［３］通过大理岩的单轴试验发现，端部加有聚四氟乙烯垫片试验的单轴抗压强度要低于４］利用ＦＬＡＣ３Ｄ模拟了因端部未加垫片的。文献［５］通过端部摩擦效应而产生的应变局部化。文献［试验分析指出，若采用特殊的装置减小岩样端部摩擦后，岩石材料强度的尺寸效应就消失了。虽然许多学者采取许多措施来减少加载端部和岩石试件之间的摩擦力来消除或者减小端部效应，如ＰＣ）在试件的两端加特殊垫板（片），如聚四氟乙烯（
６－９］垫片、气垫等垫板，仍然不能很好地解决此问题［。
２㊀岩石细观本构模型
２．１㊀单轴应力－应变关系本文模型基于连续介质损伤力学框架以描述岩石材料在细观尺度下各离散单元的力学特性。按照Ｌｅｍａｉｔｒｅ应变等价原理，受损材料的本构关系可通过无损材料的名义应力与应变关系表示，即珟Ｅ＝Ｅ（１－Ｄ），㊀（０≤ Ｄ≤ １），（１）０珟＝Ｅ。（２） σ ε 珟式中：ＥＥ为损伤后的弹性模量；０为初始弹性模量；Ｄ为损伤变量。２．２㊀损伤演化定义和强度准则岩石试件在单轴拉伸时，试件的破裂缝与加载

三维岩样单轴压缩端面效应及破坏数值模拟

三维岩样单轴压缩端面效应及破坏数值模拟
王学滨
【期刊名称】《四川大学学报（工程科学版）》
【年(卷),期】2005(037)002
【摘要】采用三维拉格朗日元法,对三维岩样在单轴压缩及不同端面约束条件下,试样端面上压应力的分布及演化规律、试样的破坏过程及空间局部化区域的形态进行数值模拟研究.在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型.数值结果表明,对于粗糙端面,由于强烈的端面约束,试样的弹性区是以两端面为底面的锥体;锥体一旦形成,随着时间步的增加,其体积基本保持不变;压应力集中于端面的四个边上.对于光滑端面,弹性区被塑性区所包围,随着时间步的增加,弹性区逐渐缩小,直到消失;压应力集中于端面的中心.在平面应力状态下,未观测到明显的局部化剪切带图案.无论粗糙还是光滑端面,三维岩样都发生了明显的剪切破坏.三维岩样内部的剪切应变局部化带有主有次,占主导地位的剪切带尺寸较大,应变率集中程度较大.
【总页数】6页(P28-33)
【作者】王学滨
【作者单位】辽宁工程技术大学,力学与工程科学系,辽宁,阜新,123000
【正文语种】中文
【中图分类】TU451
【相关文献】
1.预制共轭X型裂纹岩样单轴压缩渐进破坏过程数值模拟研究 [J], 李少增;朱祖俊
2.混凝土试样单轴压缩端面效应及破坏数值模拟 [J], 陈健云;刘智光
3.混凝土单轴压缩破坏过程的三维细观数值模拟 [J], 党发宁;韩文涛;田威;郑娅娜;陈厚群
4.单轴拉伸岩样破坏过程及尺寸效应数值模拟 [J], 王学滨
5.三维岩样单轴压缩自由面剪应变率及位移分布数值模拟 [J], 王学滨
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岩石单轴压缩试验离散元模拟分析

岩石单轴压缩试验离散元模拟分析赵海军【摘要】采用二维离散元程序PFC2D,对岩石试样的单轴压缩试验进行了数值模拟.将数值模拟结果和室内试验实测结果进行了比较,发现颗粒流方法能够较好地模拟室内试验,其结果对研究岩石单轴作用下的破坏机理有一定的应用价值.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2018(044)011【总页数】2页(P72-73)【关键词】岩石;单轴压缩试验;数值模拟【作者】赵海军【作者单位】山东华科规划建筑设计有限公司,山东聊城 252000【正文语种】中文【中图分类】TU4581 概述岩石单轴压缩试验是岩石力学试验中最简单、最基本的试验方法。

传统室内试验存在成本高、岩石试样不可重复等缺点。

随着计算机技术的发展，数值模拟被用于岩石的破坏机理研究中。

从微观层面而言，岩石是由内部微小的矿物颗粒相互粘结而成的[1]，矿物颗粒有着不同的粒度、形状，颗粒之间粘结介质有着不同的接触关系，这些众多的微观因素在一定程度上影响着岩石宏观力学特性。

与传统有限元相比，离散元细观颗粒模型能反映岩石内部微裂纹扩展为宏观裂纹的过程，体现裂纹在扩展过程中相互的影响，以及颗粒间接触力的重分布过程。

构建出准确反映岩石特性的细观颗粒模型，能合理模拟出岩石微观结构动态破裂过程[2]。

本文利用PFC2D程序，构造相应的岩石数值模型，对岩石的单轴压缩试验进行数值模拟。

通过改变颗粒的细观参数，得到一系列不同的宏观参数。

对这些数值结果进行分析处理，得出岩石的宏观和细观参数之间联系。

通过岩石试样的颗粒流数值模拟，调整颗粒的细观参数，得到与室内试验结果相似的应力—应变关系曲线，以及相似的破坏模式，有一定的理论分析和实际应用价值。

2 基本原理离散元法基于P.A.Cundall等的离散元理论发展起来[3]，PFC软件中采用圆盘表示颗粒，通过在颗粒间设置粘结来提供岩土体的宏观强度，用于模拟分析颗粒之间的粘结接触主要为接触粘结模型和平行粘结模型。

单轴压缩情况下软岩的动态力学特性试验研究(1).

单轴压缩情况下软岩的动态力学特性试验研究(1)摘要：本文对软岩(砂浆模拟材料)进行了应变速率范围为10-5到101s-1的动单轴压缩实验。

实验结果表明，试样的抗压强度随应变速率的增加有较明显的增加趋势，增加幅度大于硬岩。

同时，试样的弹性模量以及泊松比随着应变速率的增加均有增加的趋势，但幅度小于强度的增加幅度。

本文还根据不同应变速率下试样破裂面的sem实验结果，初步分析了软岩动态力学特性机理。

关键词：动单轴压缩软岩力学特性mechanical properties of soft rock under dynamic uniaxial compressionabstract: the present paper introduced the experimental study on soft rock (analogized with mortar) under dynamic uniaxial compression at the strain rates from 10-5 to 101 s-1. it is indicated that the compressive strength of the soft rock increase with the increasing strain rate and the rising rates are higher than that of soft rock. the young’s moduli and poisson’s ratio of the soft rock increase with the increasing strain rate, but the rising rates are less than that of compressive strength. in addition, based on the sem results, the mechanism of the strain rate effect of the soft rock is primarily analyzed.key words: dynamic u niaxial compression / soft rock/ mechanical properties一、前言岩石材料在动载荷作用下的力学特性是研究爆炸以及地震载荷在岩石结构中传播与衰减规律的基本参数。

基于flac^3d模拟的岩石单轴压缩试验应力应变统计规律

基于flac^3d模拟的岩石单轴压缩试验应力应变统计规律“基于flac^3d模拟的岩石单轴压缩试验应力-应变统计规律”是研究岩石在单轴压缩试验中应力-应变特性规律的一个重要课题。

本文以FLAC^3D模型为基础，以有限元素方法进行了岩石单轴压缩试验模拟，采集了以应力、应变等作为响应变量的数据，并利用统计学方法对模型数据进行了拟合和分析，探讨了岩石在单轴压缩过程中应力-应变的统计规律。

一、研究背景单轴压缩试验是目前岩石力学性质研究的基本试验，在工程、科研领域中有着至关重要的地位，但传统试验中存在着大量的不确定因素，容易出现偶然性差异。

为了解决传统试验中出现的偶然差异，利用有限元素法进行岩石单轴压缩试验的模拟，再结合统计学技术，分析岩石在单轴压缩试验中的应力-应变关系，已受到包括研究者在内的众多学者的重视。

二、实验方法1.选取模型样品：采用砂岩试样，尺寸为50×50 mm，其表面平整，对其密度、抗拉强度等进行了测定；2.模拟条件：采用FLAC^3D模型，以正常温度、相对湿度和气压下的常用测试机构，应用自由节点模式，实现压缩试验模拟，并设置适当的增量半径修正和初始压力；3.数据采集：在做单轴压缩试验模拟时，实时采集和记录应力、变形、位移、应变等数据；4.拟合分析：根据以上实验数据，以统计学方法对数据进行分析，从数据中汲取所需要的参数，并将参数应用到现有的统计模型中，拟合数据以描述岩石在单轴压缩过程中应力-应变统计规律。

三、实验模拟结果1.岩石在单轴压缩试验中应力-应变随位移的变化趋势：在岩石的单轴压缩实验中，应力随着位移的增加而增加，而应变在位移达到一定程度之后出现稳定的变化态势，其变化曲线在位移方向上大体符合线性变化规律；2.岩石在单轴压缩试验中应力-应变计算结果：应力随压缩距离的增加而增加，最大应力处于压缩距离的末端，而应变的增加则受到压缩距离的影响较小，且应力和应变均为正值；3.应力-应变模型：根据采集的实验数据，选取了由岩石的极限弹性模量E和极限压缩模量σL组成的Ackermann-Kuhn模型作为岩石在单轴压缩过程中应力-应变的拟合模型；4.岩石单轴压缩试验参数拟合结果：拟合得到的参数值为极限弹性模量E=57.1MPa，极限压缩模量σL=62.45MPa，两个参数都满足了90%的拟合要求；5.岩石单轴压缩试验数据分析结果：通过对实验数据的分析，得出在较大的位移范围内，岩石的力学弹性在一定程度上维持不变，而岩石的抗压能力也在适当的范围内维持了一定的稳定性；四、结论本文以FLAC^3D模型作为基础，采用有限元素法进行了岩石的单轴压缩试验模拟，通过对采集数据的统计分析，确定了岩石在单轴压缩实验中的应力-应变曲线规律，提出了一套新的Ackermann-Kuhn应力-应变模型及其参数，从而为岩石力学性质研究提供了新的研究方法。

单轴压缩过程中冻结砂岩的损伤局部化规律研究

单轴压缩过程中冻结砂岩的损伤局部化规律研究张慧梅;高培雄;贾海梁;王婷;唐丽云【期刊名称】《冰川冻土》【年(卷),期】2024(46)2【摘要】损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。

本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。

在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发射(AE)系统采集试验过程中的表面变形和声发射信号,分析了试样表面应变局部化模式与内部微裂纹扩展类型。

结果表明:(1)初始饱和度令试样的单轴抗压强度产生阶段性变化,并改变了试样各加载阶段占比和破裂过程中的声发射振铃计数分布特征;(2)以40%初始饱和度为转折点,试样的表面应变局部化模式由拉应变为主变为剪应变为主,初始饱和度超过90%时出现了拉、剪应变同时发展的混合模式,并能与试样的最终破坏形态对应;(3)损伤局部化过程中,试样内部的微裂纹扩展类型与表面应变局部化模式基本吻合。

最后,结合不同初始饱和度下冻结岩石孔隙中的相组成分变化,分析了其对冻结岩石损伤局部化模式的影响。

本研究有助于加深研究人员对冻结岩石力学性质的认识,为寒区岩石工程破坏与失稳预测提供重要参考。

【总页数】13页(P565-577)【作者】张慧梅;高培雄;贾海梁;王婷;唐丽云【作者单位】西安科技大学建筑与土木工程学院;西安科技大学理学院;陕西理工大学土木工程与建筑学院【正文语种】中文【中图分类】TU752;TU45【相关文献】1.单轴冲击冻结砂岩损伤机理2.单轴压缩条件下红砂岩微细结构演化规律的试验研究3.基于单轴压缩与扫描电镜试验的冻融红砂岩损伤特性研究4.冻结裂隙砂岩单轴压缩损伤特性CT试验因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究程详;赵光明;李英明;孟祥瑞;董春亮【摘要】利用FLAC3D数值软件中的应变硬化一软化本构模型,模拟轴对称单轴压缩条件下岩石试件应变局部化剪切带的形成过程,同时对不同端面效应下长径比效应对应变局部化剪切带的影响进行分析.结果表明,岩石试件的应变局部化剪切带的启动、发展到最终形成是一个渐进的演化过程.端面效应和长径比效应均影响应变局部化剪切带的形状和岩石强度.光滑边界应变局部化剪切带形成于试件上下端面,摩擦边界形成于试件中部区域,且摩擦边界时试件的峰值强度高于光滑边界,峰值强度后的软化阶段陡峭于光滑边界.随着岩石试件长径比的增加,岩石的峰值强度在逐步降低,达到峰值强度所需的时步却呈增加的趋势.这一研究成果有助于加深理解岩石破坏过程.%Using strain hardening-softening constitutive model of FLAC3D numerical software,the formation process of strain localization shear zone was simulated under the axisymmetric uniaxial compression condition for rock specimen,and the influence of length-to-diameter ratio effect on the strain localization shear zone was also analyzed under the effect of different end faces.The results showed that startup,development and the final form of the strain localization shear band is a gradual evolutionary process of the rock specimen.End face effect and length-to-diameter ratio effect affect shape and rock strength of the strain localization shear zone.Strain localization shear zone is formed in the upper and lower end face of the specimen with smooth boundary,while that is formed in the central area of the specimen with friction boundary.At the same time,peak strength and subsequent softening stage of frictionboundary are higher than those of smooth boundary.With the increase of length-to-diameter ratio,the peak strength of the rock is reduced gradually,and the required time step is increased to obtain peak intensity.These research results will help deepen the understanding of rock failure process.【期刊名称】《高校地质学报》【年(卷),期】2017(023)003【总页数】8页(P555-562)【关键词】应变局部化;剪切带;应变软化;端面效应;长径比效应;数值模拟【作者】程详;赵光明;李英明;孟祥瑞;董春亮【作者单位】安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,淮南232001;安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,淮南232001;安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,淮南232001;安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,淮南232001;安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,淮南232001【正文语种】中文【中图分类】TU456岩石类材料与矿山、隧道及水利等地下工程密切相关，其失稳破坏现象广泛存在于岩土工程实践中，如矿山开采中的冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出等灾害(李术才等，2016)。

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ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｔｒａｉｎｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｓｈｅａｒ — ｂａｎｓｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｒｏｃｋｓｐｅｅｉｍｅｎｓｕｎｄｅｒｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇＦＩＡＣ３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
杜金宝，赵光明，程祥，孟祥瑞
（１．安徽理－７－．大学能源与安全学院，安徽淮南２３２００１；２．中国矿业大学煤炭资源与
安全开采国家重点实验室，江苏徐州２２１１１６）
摘要：在单轴压缩条件下，采用ＦＬＡＣ３Ｄ软件，对圆柱体岩石试样应变局部化剪切带的形成过程进行了数值模
第２０卷第６期
２０１３年１１月
安全与环境工程
ＳａｆｅｔｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏ１．２０ＮＯ．６
ＮＯＶ．２０１３
单轴压缩条件下岩样应变局部化剪切带的数值模拟研究
Ｈｕａｉｎａｎ２３２００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＣｏａｌＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＳａ］ ’ ｅＭｉｎｉｎｇ，
ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｔｒａｉｎｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｓｈｅａｒ — ｂａｎｄｓｏｆｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎｓｉｓａｇｒａｄｕａｌｐｒｏｃｅｓｓｕｎｄｅｒｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｉｔｓｕｌｔｉｍａｔｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｍｉｓｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅ．Ｆｏｒｃｕｂｏｉｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｄｅ — ｆｅｃｔｓｕｎｄｅｒｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ａｔｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｓｔｒａｉｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｃｃｕｒｓａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄｅｆｅｃｔｓ；ｗｉｔｈｔｈｅ
拟研究。结果表明：圆柱体岩样在单轴压缩条件下的应变局部化剪切带的形成是一个渐进的过程，其最终的破坏形式基本为剪切破坏；当长方体岩样内含有材料缺陷时，首先在材料缺陷处发生应变集中，随着轴向应变的增加，最终沿着材料缺陷形成一条贯穿于整个岩样的剪切带；所得的数值模拟结果与相关试验结果基本一致。关键词：岩石力学；单轴压缩；应变局部化；剪切带；材料缺陷；数值模拟
中图分类号：Ｐ６４２．１ｌ。。６文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－１５５６（２０１３）０６ — ０１６４ — ０４
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳｔｒａｉｎＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎＳｈｅａｒ－ｂａｎｄｓｏｆＲｏｃｋＳｐｅｃｉｍｅｎｓｕｎｄｅｒＵｎｉａｘｉａｌＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
ＤＵＪｉｎ — ｂａｏ，ＺＨＡＯＧｕａｎｇ — ｍｉｎｇ，ＣＨＥＮＧＸｉａｎｇ，ＭＥＮＧＸｉａｎｇ — ｒｕｉ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，