岩石加速破裂行为的物理自相似律

掌握岩石变形破坏过程中体积膨胀点至峰值强度点之间加速破裂行为的演化规律,是实现地质灾害物理预测的关键.本文考虑裂纹张开和闭合两种情况,基于断裂力学建立了三轴应力作用下裂纹扩展临界尺度与等效应力的关系.对微元体破坏概率,分别采用以等效应力表达的Weibull分布函数和裂纹尺度分形函数,通过对比导出了形状参数m与裂纹分布分维D_f关系的表达式.一个有趣的发现是,岩石峰值强度点与体积膨胀点应变比仅与m或D_f有关.对岩石蠕变或准蠕变破坏,合理的m值范围为[1.0,4.0],在此范围内应变比近似为常数1.48,该常数是描述不同尺度岩石加速破裂规律的物理自相似常数.实例分析表明,基于岩石加速破裂规律构建的多锁固段脆性破裂理论,其适用性广,尤其在崩滑和大地震预测领域,具有良好应用前景.此外,本文给出了b值与m值定量关系,以解释b值的物理意义,并探讨将其用于地震预测的可行性.     

中下地壳温度压力条件下岩石半脆性蠕变的实验研究

本文着重介绍了在中下地壳温度、压力条件下进行的几种岩石半脆性蠕变的实验研究结果。通过对这些岩石的蠕变曲线、蠕变类型、蠕变速度和时间、蠕变应变的关系、稳态蠕变速度-流动应力和蠕变破坏特征的观测、分析,阐述了地壳岩石半脆性蠕变的基本规律,并在温度、围压-流动应力座标系中给出了岩石半脆性蠕变的分区     

岩石塑性变形条件下的Mohr-Coulomb屈服准则

传统的Mohr-Coulomb强度准则仅描述了峰值强度状态下正应力和剪应力之间的关系,作为岩石破坏的判据.本文拓展概念,提出Mohr-Coulomb屈服准则表述岩石发生塑性变形后不同应力状态下屈服面的应力应变关系.在总结实验研究的基础上建立了使用三轴压缩试验数据确定塑性参数c和φ随内变量κ变化的实验技术方法,给出了评价各向同性模型精度的参量表达以及某些测试结果.采用具有各向同性强(软)化规律的Mohr-Coulomb屈服准则,利用岩石的初始屈服、峰值屈服和残余屈服三组参数可以将全过程应力应变曲线简化表征为四直线模型,它比三线性模型有更广泛的适用性.本文的结果为工程地质数值模拟提供了理论和实验基础,具有指导意义.     

基于能量耗散原理的非均质岩石损伤破坏元胞自动机模型研究

基于能量耗散理论建立非均质岩石的动态损伤破坏元胞自动机,分析单轴压缩试验中岩石破坏截面的损伤状态,得到该情况下的岩石裂隙微观动态发展过程、损伤演化关系以及全程应力应变曲线。研究发现：①加载过程中,均质度较低的岩样裂纹的萌生和扩展较为分散,损伤速率低;均质度较高的岩样裂纹的萌生和扩展非常集中,表现为脆性破坏。②损伤演化曲线呈3阶段S形发展。③随着岩石均质度参数的增加,岩石的峰值强度和峰值应变都有所提高,峰后曲线越来越陡。④给出的衡量岩石脆性破坏强弱程度的指标参数,能够较好地描述岩石破坏形式随着均值度参数m变化的规律。     

非常规油气储层脆性评价方法研究进展

岩石脆性评价方法对于非常规油气资源的勘探开发至关重要,其通过计算岩石脆性指数来量化岩石脆性进而用于表征岩石可压裂性,最终服务于非常规油气资源的工业化生产.尽管脆性指标如此重要,由于其物理内涵的特殊性及复杂性,至今业界对岩石脆性没有统一的定义,因此没有统一的岩石脆性评价方法.研究人员出于各自不同的考虑提出了众多岩石脆性评价方法,例如通过确定岩石中脆性矿物及塑性矿物提出的矿物组分法、利用室内岩石力学实验应力-应变曲线中获得的弹性参数及其他特征参数提出的弹性参数法、全应力-应变曲线特征参数法以及利用硬度或强度测试得到的硬度、强度参数提出的硬度法、强度法等.随着近年来的研究深入,许多基于传统方法、原理或不同于传统方法的新型计算方法也得到了更为长足的发展,研究人员对于岩石脆性的定义有了更加深刻的理解.本文对岩石脆性评价常用的方法进行了分析,对计算方法的原理、优越性及局限性等方面进行讨论,并对岩石脆性评价方法的发展趋势进行了展望.     

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力（小于竖直方向压力）及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程。岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律。根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆。模拟结果表明：当竖直方向压力一定时,随着水平方向压力的增加,V形坑的顶点和巷道中心的连线与模型水平轴的夹角,由小于45°向接近45°发展;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值增大。随着岩石峰后脆性的增强,剪切带趋于明显,容易汇合形成V形坑;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值向围岩内部移动。     

地震临界点理论的实验研究

按照临界点理论 ,在大地震或岩石等脆性材料破坏发生之前能量会加速释放 (AER) ,这种加速过程呈幂律变化 (power law) .本文通过大尺度岩石破裂声发射实验 ,对这一临界现象进行了研究 .实验分别采用 3种岩石试件 ,并且实现了不同轴压加载历史以及三轴应力状态 ;实验利用声发射技术记录了微裂纹产生和扩展时所释放的弹性能 (声发射 ) ;实验结果证实了临界点理论 ,在不同的实验条件下 ,岩石材料在受压破坏之前弹性能会出现明显的加速释放过程 .本文还对使用AER预测中期地震进行了初步研究 .     

岩石脆性破坏表征与Weibull分布适用范围

理解岩石脆性破坏行为,对研究地质灾害预测、隧道安全掘进和油气储层改造等问题具有重要意义.鉴于过去关于脆性破坏的定义存在缺陷,我们认为将其定义为主要由裂纹萌生与扩展导致的破坏较为严谨.Weibull分布形状参数m可综合表征岩石的非均质性与外部环境条件作用下岩石的力学响应特征,且其数值容易测量,可作为衡量脆性破坏程度的指标.从Weibull分布的最弱环原理出发,指出该分布用于描述岩石和天然锁固段脆性破坏行为时,参数m的合理取值范围分别为[1.0,6.0)和[1.0,4.0].     

基于双衬套理论求解地壳岩石应变传递系数的探讨

分量式钻孔应变观测,是当今国际上地壳岩石应变相对测量的主流方法,由于应变需在岩石、水泥和仪器钢筒等三层介质中传递,故与无孔岩石不同,观测系统存在附加应变场,测得的面应变与剪应变并不等于钻孔围岩的真实应变,分别需要一个传递系数与之关联,所以分析外加应变向探头的传递过程很有必要.根据双衬套理论,首先推导出平面应力作用下岩石面应变与剪应变传递系数(β_m、β_j)的计算公式,分别对其影响机制进行讨论,并给出有关变化规律曲线和定量指标.继续给出三维空间应力作用下面应变传递系数(β_(m3))的计算公式,并讨论了β_(m3)与β_m的关系及适用范围;剪应变因不受垂直向应力的影响,传递系数仍为β_j.通过观测值和求解传递系数,最终可以确定地壳岩石的真实应变量.该项工作对观测数据的物理解释和仪器设计、安装参数的优化也能提供帮助.     

地震临界点理论的实验研究

按照临界点理论，在大地震或岩石等脆性材料破坏发生之前能量会加速释放（AER），这种加速过程呈幂律变化（power-law）. 本文通过大尺度岩石破裂声发射实验，对这一临界现象进行了研究. 实验分别采用3种岩石试件，并且实现了不同轴压加载历史以及三轴应力状态；实验利用声发射技术记录了微裂纹产生和扩展时所释放的弹性能（声发射）；实验结果证实了临界点理论，在不同的实验条件下，岩石材料在受压破坏之前弹性能会出现明显的加速释放过程. 本文还对使用AER预测中期地震进行了初步研究.      

煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应实验研究

实验研究了原煤、型煤单轴压缩电磁辐射记忆效应特征、记忆内容及变化规律，探讨并分析了煤岩电磁辐射记忆效应机理.结果表明，煤岩变形破坏电磁辐射具有记忆先期最大应力、纵向应变、横向应变和体应变的能力，最直接的记忆内容是先期受到的应力、纵向应变和横向应变；当先期施加的应力水平大于70%～80%时，电磁辐射记忆能力迅速减弱，甚至根本失去记忆能力；煤岩损伤破坏过程的不可逆决定了电磁辐射过程的不可逆，电磁辐射过程的不可逆是煤岩变形破坏电磁辐射记忆效应的直接原因.煤岩电磁辐射记忆效应理论在地应力测试、巷道围岩不同应力区范围的确定及煤岩动力灾害预测等方面具有广阔的应用前景.     

岩石压应力传递系数计算及影响机制

钻孔应变观测是地壳岩石应变相对测量的主要方法,对其附加应力场的研究,可以有效分析岩石压应力向探头的传递过程,可对应变仪有关力学参数的设计和观测数据的物理解释提供帮助。考虑到外加应力在岩石、水泥和仪器钢筒等3层介质中传递的实际情况,根据弹性力学中的厚壁圆筒方程,推导轴对称应力作用下岩石压应力的传递系数公式,分析影响机制,并给出有关变化规律曲线和定量指标。     

岩体构造层次及其力学行为

研究了岩体的构造层次与其力学行为之间的关系。从分析可以看出，岩体的强度与岩体的构造层次之间有紧密的关系。岩体的构造层次越小．在本层次上强度越高。因此岩体的最小工作层次与外力所能达到的水平之间有直接的联系。表现在破坏块体的尺寸上，最小的破坏尺寸与所能达到的强度有直接的关系。在此基础上得到了破坏块体的尺寸与应变率，塑性变形及应力状态之间的关系。     

On the state of stress in the near-surface of the earth's crust

Five models for near-surface crustal stresses induced by gravity and horizontal deformation and the influence of rock property contrasts, rock strength, and stress relaxation on these stresses are presented. Three of the models—the lateral constraint model, the model for crustal stresses caused by horizontal deformation, and the model for the effects of anisotropy—are linearly elastic. The other two models assume that crustal rocks are brittle or viscoelastic in order to account for the effects of rock strength and time on near-surface stresses. It is shown that the lateral constraint model is simply a special case of the combined gravity-and deformation-induced stress field when horizontal strains vanish and that the inclusion of the effect of rock anisotropy in the solution for crustal stresses caused by gravity and horizontal deformation broadens the range for predicted stresses. It is also shown that when stress levels in the crust reach the limits of brittle rock strength, these stresses become independent of strain rates and that stress relaxation in ductile crustal rocks subject to constant horizontal strain rates causes horizontal stresses to become independent of time in the long term.     

岩石变形实验中的微破裂与地震的联想

根据室内岩石变形实验中岩石的微破裂和应变能释放等情况，联想到地震发生的几种相似现象：（１）岩体在较低的状态下亦有可能发生地震；（２）小震的发生预示岩体内应变和应变能的释放，但应力却未必释放；（３）主震时就变能大量释放，但仍有相当多的应变能残留在岩体中，这应是老震区发生地震的原因之一。     

钻孔体应变与面应变观测井孔耦合系数的计算

钻孔应变观测系统（岩石、 膨胀水泥和应变仪钢筒）存在显著的井孔耦合效应,只有确定这一耦合系数,才能得到地壳岩石的真实应变值,从而实现不同测点数据的可比性．本文根据双衬套理论及弹性力学理论,建立了三维空间应力作用下体应变与面应变观测力学模型,并进一步推导各自井孔耦合系数计算式,发现两组系数与井孔的受力状况密切相关,分别与不同力源引起的应变信号相对应．亦即应力比（钻孔轴向应力与平面应力之比）不同,耦合系数也不一样,体应变随应力比的增大而下降,面应变则上升. 本文结果还表明平面应力作用下的耦合系数与外加应力无关,只与观测系统本身有关,故数值保持恒定. 此外,文中对其影响因素也进行了分析,结果表明,体应变和面应变的井孔耦合系数均随岩石弹性模量和泊松系数的增大而增大,且前者的幅度较大,井孔耦合材料水泥对二者影响均很小．      

龙门山断裂带测区古构造残余应力随深度分布及带中残余能量

以岩体正交异性弹性理论为基础，用Ｘ射线法，在龙门山断裂带测区，选取３个小区深钻孔系列的岩心，测量了岩体中宏观残余应力场的水平和铅直三维主分量、水平和铅直最大剪应力，及其应变能密度随深度的分布，分析了它们沿深度的分布规律，估算了该断裂带岩体中储存的宏观残余弹性应变能的量级     

Comparison of seismic effects during deep tunnel excavation with different methods

The rapid release of strain energy is an important phenomenon leading to seismic events or rock failures during the excavation of deep rock.Through theoretical analysis of strain energy adjustment during blasting and mechanical excavation,and the interpretation of measured seismicity in the Jin-Ping Ⅱ Hydropower Station in China,this paper describes the characteristics of energy partition and induced seismicity corresponding to different energy release rates.The theoretical analysis indicates that part of the strain energy will be drastically released accompanied by violent crushing and fragmentation of rock under blast load,and this process will result in seismic events in addition to blasting vibration.The intensity of the seismicity induced by transient strain energy release highly depends on the unloading rate of in-situ stress.For mechanical excavation,the strain energy,which is mainly dissipated in the deformation of surrounding rock,releases smoothly,and almost no seismic events are produced in this gradual process.Field test reveals that the seismic energy transformed from the rock strain energy under high stress condition is roughly equal to that coming from explosive energy,and the two kinds of vibrations superimpose together to form the total blasting excavation-induced seismicity.In addition,the most intense seismicity is induced by the cut blasting delay; this delay contributes 50% of the total seismic energy released in a blast event.For mechanical excavation,the seismic energy of induced vibration(mainly the low intensity acoustic emission events or mechanical loading impacts),which accounts only for 1.5‰ of that caused by in-situ stress transient releasing,can be ignored in assessing the dynamic response of surrounding rock.     

地下水位与应变的相关性分析

根据弹性动态理论，变形介质中流体的动态，是由封闭含水层所受压力变化引起的。利用川－18井水位与仁和台钻孔应变资料，使用最大相关系数方法进行分析，结果表明在强震的孕育、发展的某一阶段，测点处的应力－应变场对于水位的变化起主导作用，这种相关性也可以作为异常判据。     

An experiment on temperature variations in sandstone during biaxial loading

The temperature response to stress–strain variations in rock is useful in developing an understanding of the thermodynamic property of crust. In this study, the temperature of sandstone during loading was investigated using laboratory biaxial testing. By changing the loading patterns, the deformation of a specimen was controlled to produce two distinct modes of strain: volume strain only and shear strain only. These strain modes were produced separately such that the temperature variation associated with the different deformation modes could be analysed. Experimental results indicate that temperature, as a scalar quantity, is notably sensitive to rock deformation. In the case of the volume strain, the temperature variation is positively correlated with the variation in the bulk stress. The temperature rises with the increase in hydrostatic pressure, and vice versa. In the case of the shear strain, experimental results repeatedly show two characteristics: firstly, there appears obvious increase in temperature in the area of pure shear strain, which is most likely related to local plastic deformation; secondly, the temperature drops in the area of tension during loading, whereas the temperature rises within the area of compression. This is to say, the state of crustal stress–strain should be obtained through the measurement of rock temperature.