岩石和岩体的本构关系

引言岩石和岩体的本构关系(包括适用于可压缩流体的状态方程)是岩石介质的应力(或压力)、应变(或比容)、比内能(或温度)、及加载路径、应变率等之间的普遍关系式.它是研究应力波在岩石介质中的传播规律及其与地下结构相互作用的基础;在估价地下结构对各种爆炸作用的抵抗能力以设计经得起这些作用的防护结构时,在预报周围环境地运动及确定结构--介质相互作用时,都需要岩石和岩体介质的动力响应的精确描述;     

岩爆与围岩分类

岩爆是高地应力条件下完整脆性硬质围岩失稳的一种表现型式,岩爆烈度如何影响围岩类别尚不清楚,探索岩爆与围岩分类的关系,对准确判别高地应力条件下的围岩类别有着重要意义。本文以某深埋隧洞围岩分类为依据,对我国水利水电地下洞室围岩分类中岩爆烈度与围岩类别的关系、岩爆判别指标的选取等问题进行了探讨。     

岩石弹脆性分维损伤本构模型

本文定义岩石构元中破裂面的分维值为各向同性损伤变量,而各个方向上裂纹面的累加量定义为各向异性损伤变量,并根据裂纹发育特征提出了损伤变量演化方程,从而建立起岩石脆性变形破坏过程的分维损伤本构模型。最后,利用该模型对大理岩单轴压缩应力应变曲线进行了模拟,结果说明本文提出的模型是较为合理的。     

Numerical modelling of reinforced jointed rock masses I. Theory

The concept of reinforced multi-laminates has been developed and applied to the analysis of reinforced jointed rock masses. The discontinuities and reinforcements in the rock mass are assumed to occur in regular sets, with relatively close spacing within sets. The constitutive equations are established for an ‘equivalent material’, this being identical in its mechanical response to the reinforced jointed rock mass, consisting of its components, i.e. rock material, sets of discontinuities, and sets of reinforcements with associated sets of interfaces. An elasto-visco/plastic algorithm is used so that each component is described by its elastic, failure and flow properties together with its relative orientation. The constitutive equations for the ‘equivalent material’ can be applied to determine optimal reinforcement arrangements for problems of various levels of complexity. Several practical examples illustrating this are contained in a companion paper.     

论岩体力学介质

岩体力学为工程建设和地学研究的基础学科。它的基础性课题有两个:(1)在各种条件下岩体受力时的变形和破坏规律;(2)岩体中应力传播规律。不论土木工程、矿山工程及地学研究等工作向岩体力学提出的课题怎样多,归根到底都是受这两个课题所控制。现在对这两个中心课题以及其他一些专业性课题不仅进行了大量的实验研究,而且对研究结果进行了大量的综合和总结,出版了许多岩体力学方面的专著。尽管如此,目前岩体力学体系还没有形成,主要是由于对岩体力学介质特点缺乏明确的认识。     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

拉应力条件下岩石细观力学本构模型和渗透系数张量研究(I):各向异性损伤本构模型

在拉应力作用下的考虑渗流的岩石本构模型研究尚且很少。采用细观力学研究了岩石损伤变形过程,考虑了渗流过程。由于选用了新的微裂纹扩展准则,提高了解方程效率;采用细观力学成果建立了考虑渗流的微裂纹面不连续变形对岩石变形影响规律,并采用断裂力学成果建立了考虑渗流的微裂纹应力强度因子;建立了同时考虑微裂纹扩展过程和渗流过程的岩石各向异性损伤本构模型,该模型也适用于岩体。     

渤海地区岩样的试验研究以及新型岩石损伤本构模型的建立

针对渤海地区油气资源的开采困难以及现有岩石损伤本构模型的理论体系的不足等问题,该文对渤海岩石取样进行试验研究,根据试验所得参数建立了一种新型的岩石损伤本构模型。首先,利用岩石三轴测试仪对所取岩样进行变温度、变围压测试,获得岩样的全应力-应变曲线,并计算出岩样的泊松比、弹性模量以及最大应力差。其次,利用图解法作莫尔应力圆,确定岩样的黏结力和内摩擦角。最后,根据试验部分数据建立一种新型岩石损伤本构模型。该模型参数少,计算简便,将所建模型的计算结果与试验所得全应力-应变曲线进行验证,验证了所建岩石损伤本构模型的准确性。研究结论可为岩石损伤模型的完善以及现场石油资源的高效开采提供试验和理论支撑。     

论岩体爆破地质力学及爆破性分级

本文对岩体爆破地质力学问题进行了论证。岩体的爆破性按岩体结构类型、地应力特征和爆破震动的影响可分为五类:1.极难爆(整体状结构);2.难爆(块状结构);3.中等(裂隙块状结构、碎裂结构);4.易爆(层状碎裂结构、软弱层状结构);5.极易爆(松散结构、松软结构)。     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的;(2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因;(3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征;(4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围;提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

在层状岩体中柱面波的传播

近些年来,随着复合材料生产的发展,复合材料力学性质的理论和实验研究也相应地发展起来了.由于许多岩体是复合体,因此运用复合材料力学理论的基本原理和方法来处理岩石力学问题是很有意义的,它更能比较真实地反映岩体的力学特性.最近,有些人已开始做了这方面的研究工作.     

CYLINDRICAL WAVE PROPAGATION IN LAYERED ROCK MASS

We applied the theory of interacting continua in dynamics of composite materials to study the problem of cylindrical wave propagation in layered rock mass .A set of differential equations has been derived to determine displacements and stresses in Each layer and to describe the geometrical dispersion of cylindrical wave propagation in layered rock mass .The corresponding frequency relation has been obtained .     

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

声波技术在工程岩体测试中的初步应用

引言尽管地震法用于工程地质勘测已有相当年代的历史,但一般仅局限于风化层及松散覆盖层的探查。近年来,在工程岩体稳定的研究中,根据弹性波在岩体中的传播特征,进行岩体物理力学性质及状态的测试和评价,有相当的进展,弹性波测试技术的应用也愈加广泛。岩体弹性波测试技术包括在岩体中激发弹性波,以及进行波速及波幅检测的手段。     

岩石质量定量描述研究现状及趋向

结构面的存在破坏了岩石的完整性。定量描述结构面引起的岩石质量恶化程度是工程岩体勘测和设计的前提。本文评述了国内外岩石质量的定量描述方法,并指出今后的发展趋向。     

卸荷工程岩体非线性模型的研究与应用

卸荷工程岩体与传统的加载岩体的力学条件有着本质的区别，其非线性特征更为明显，卸荷工程岩体的研究是一个崭新的领域，对卸荷岩体的工程地质特征、力学参数的确定、本构关系及卸荷岩体释放荷载的计算方面进行了初步的探讨。     

THE ANALYSIS AND COMPUTATION OF A WHOLE DEFORMATION CURVE OF ROCK UNDER UNIAXIAL PRESSURE

The whole deformation curve of rock represents important mechanical behaviour in the deformation and failure of rock .The problem has been deeply studied by numerous scientists .The author intends to deal with the whole deformation curve of rock .As the first step of study .the analogous calculation has been considered with the whole deformation curve of rock under uniaxial pressure in this paper .The mathematical expressions are developed piecewise ,and the constitutive law is given .Then ,the stress state of a rock specimen is computed for loading and unloading cycles step by step under the uniaxial pressure ,using the finite element method .A satisfactory result is obtained .The author will consider the problem about the deformation and failure of rock under the different confining pressure in another related paper .     

单轴压力下岩石全变形曲线的分析计算

一、问题的提出在实验室内,利用刚性加压设备对于岩石标本进行压缩试验,可以得到岩石标本的全变形曲线.该全变形曲线反映出岩石很多重要的力学属性,诸如压密过程、比例极限、应变强化、强度值、应变软化等等.这些力学属性无论是对于分析岩体的破坏机制,还是评价岩体的稳定性问题都是必需的第一手贫料.但实际上,直接用这些资料进行分析计算确不多.     

高陡岩质边坡稳定性三维离散元分析

某高陡岩质边坡地质条件复杂、软弱结构面发育、开挖高度大、坡度陡、临空面多,为边坡变形提供了有利的空间,边坡多处出现失稳破坏迹象。通过对边坡工程地质条件调查,岩体结构特征和边坡开挖等影响因素的分析,认为边坡变形主要发生在强风化强卸荷岩体内,受软弱结构面的控制比较明显,表现为结构面组合控制的块体变形失稳破坏模式。采用3DEC数值模拟软件,模拟了边坡开挖后坡体变形特征,数值模拟结果表明,边坡浅表层块体以及控制性块体稳定性差,可能导致边坡产生整体失稳。     

岩体结构变形破坏的内在驱动力-不平衡力

岩体结构的变形破坏是一个渐近过程,常规的强度设计与极限分析均无法描述这一过程。在回顾总结岩体结构破坏控制、变形控制的基础上,提出岩体结构变形破坏控制最终要落实到开裂控制上来。总结了岩体结构开裂计算的特点和难点,阐明了用不平衡力描述岩体结构变形破坏过程的理论依据。分别从单轴压缩试验、边坡开挖卸荷、拱坝坝踵坝趾开裂等3个具体的数值案例论证不平衡力与开裂破坏的内在相关性。提出了蓄水导致不可逆的谷幅变形也是不平衡力作用结果:裂隙水压力使屈服面收缩、原先处于屈服或临界屈服状态的岩体应力状态超出屈服面,产生不平衡力和不可逆的塑性变形。指出了不平衡力本质是岩体结构非平衡态到平衡态的距离,岩体结构非平衡演化的总体趋势服从最小塑性余能原理,进一步指出了无法消除的不平衡力是岩体结构变形破坏的内在驱动力。不平衡力不仅可以作为岩体结构变形破坏的判据,还能给出相应的加固措施,具有重要的工程意义。