近日，黄土力学与灾害防治团队在岩石微观力学方面取得新进展，相关成果以《Compression‑Hardening Memory of the Microstructure and Its Effect on the Cyclic Loading/Unloading Response of Crystalline Rock Using a Grain‑Based Model》为题发表于岩石力学领域著名期刊Rock Mechanics and Rock Engineering。黄晓林特聘研究员为论文第一作者，许领教授为论文通讯作者，研究得到了国家自然科学基金的资助。

亮点：

• 岩石微观结构表现出压缩硬化记忆效应（CHME），可以通过颗粒粘结模型来表征。

• CHME 源自压缩下颗粒接触刚度的不可逆增强。

• CHME 会导致卸荷时局部拉应力集中和岩石破坏，从而影响后续的力学响应。

文章简介：

岩石在压缩过程中可以发生硬化变形，并且具有硬化作用的记忆，可以在卸载时显示出来。这种压缩硬化记忆效应（CHME）与非均质岩石微观结构的微观力学响应有关。然而，迄今为止，相关力学机制尚未得到充分认识。本研究提出了一种由通用离散元代码（UDEC）实现的颗粒粘结模型（GBM）来重现花岗岩的循环压缩试验，然后定量揭示岩石的CHME机制及其对加卸载响应的影响作用。

图1金川花岗岩UDEC-GBM模型。（a）模拟的异质微观结构、加载条件和监测设置；（b）模拟的异质颗粒接触，其中字母 k、q、p、b、g和s分别表示钾长石、石英、斜长石、黑云母、颗粒和钢质加载板。

图2  UDEC-GBM模型中颗粒接触的变形和强度模型。（a）压缩和拉伸情况；（b）剪切情况。

结果表明，基于压缩硬化记忆模型（CHMM）的UDEC-GBM准确再现了实验回滞和硬化应力-应变响应，而传统的线弹性模型（LEM）则不能。颗粒接触在压缩过程中引起非线性变形，从而增强其压缩刚度。卸载时，增强的压缩刚度会被记住，导致回滞和塑性变形。因此，模型中可以保留一些应变能并产生拉伸应力区，从而诱发晶间微裂纹和晶内破坏区。随着预扰动阶段施加的峰值压应力的增加，CHME强度增加，影响模型的变形和破坏。总体而言，随着预扰动阶段施加的峰值压缩应力的增加，岩石模型的峰值压缩强度降低。本研究阐明了 CHME 的微观力学机制，这是由于压缩过程中颗粒接触的压缩刚度不可逆增加造成的。

图3  通过实验、LEM和CHMM模拟得到的金川花岗岩循环压缩过程中的应力-应变曲线

图4  基于（a）LEM和（b）CHMM模拟的循环压缩过程中最小主应力的分布

图5  结晶岩模型在循环压缩过程中的渐进破坏特征：（a） LEM模拟结果；（b） CHMM模拟结果。红色和深蓝颜色分别表示晶间和晶内失效

原文链接：https://doi.org/10.1007/s00603-024-03863-0