单轴压应力下砂岩岩块的变形和破坏研究

一、研究的目的和内容重视宏观的和微观的地质因素的岩体力学试验研究,有助于较真实地解释和确定岩块和岩体的变形、破坏的机理和力学的宏观现象,可以为选择和建立它们的破坏准则和强度理论,进行地壳岩体和工程岩体的稳定性分析评价等提供有用资料. 岩体是由宏观的结构面和结构体所构成,是地质体的一部分.岩体中包含着岩块.岩块和岩体的建造和改造决定了它们的物质组成和结构构造.     

节理岩体圆形隧道滑动区的研究

对于连续介质问题,可以利用Mohr-Coulomb准则很好地解决圆形隧道滑动区问题.但是对于节理岩体问题要复杂得多.由于节理岩体具有复杂的力学特性,因此节理岩体圆形隧道滑动区的确定问题一直都没有很好地解决.节理岩体的力学特性可以很好地用考虑了中间主应力影响的非线性统一强度准则来表达.根据非线性统一强度准则确定了即时摩擦角,进而获得了节理岩体圆形隧道滑动区和支护应力的封闭形式的理论解,并给出了算例.     

岩体结构力学

岩体力学是解决土木工程、矿山工程、国防工程建设中存在的岩体工程建筑的基础理论。但是工程界仍感到已有的岩体力学理论解决实际问题的能力很低。作者认为原因有两条:(1)岩体力学研究与地质研究脱节,(2)已有的岩体力学理论不能反映岩体力学的真实规律。已有的岩体力学理论是从材料力学和土力学移植过来的,实质上是连续介质力学,不符合岩体的地质实际。     

葛洲坝红色岩体地质构造特征与岩体强度特性

本文利用岩体力学与地质力学相结合的理论和方法,对葛洲坝红色岩体的地质构造特征与岩体力学特性之间的关系进行了研究,获得了该岩体强度特性及其形成机理。提出了地质构造形迹是构成工程岩体力学问题和形成岩体特性的一个重要因素。本文所采取的研究途径和研究结果,对于岩体工程实践和岩体力学理论研究具有重要意义。     

岩体应力的现场研究

岩体力学不同于力学的其他分支的主要特点之一,是岩体具有内应力.因而,一切与岩体有关的力学问题的合理解决,脆性破裂理论的实际应用,都离不开对岩体应力状态的了解.     

统计岩体力学(SMRM)——岩体工程地质力学的传承与发展

本文是中国地质学会工程地质专业委员会和中国科学院页岩气与地质工程重点实验室第五届谷德振讲座主讲报告。本文简要回顾了谷德振先生岩体工程地质力学的核心价值和历史贡献,系统介绍了30年来统计岩体力学理论和应用技术探索对岩体工程地质力学的传承和发展。统计岩体力学借鉴经典统计物理学的思想方法,提出了岩体结构几何概率模型、断续介质连续等效的断裂力学能量原理、岩体结构-应力协同控制原理、岩体强度的弱环控制原理、断续裂隙网络渗流力学原理;建立了裂隙岩体本构模型、岩体全过程变形分析方法、高储能岩体特性与岩爆机理模型、圆形硐室围岩弹性变形解析解;发展了岩体数据现场采集技术与装备、全空间方向岩体结构参数、力学参数、渗透系数计算方法,以及各向异性岩体质量分级、工程岩体主动加固方法;开发了岩体工程参数计算系统和数值分析工具JointModel。统计岩体力学的建立对岩体工程地质力学和岩体力学理论与技术进步起到了重要的推进作用。     

块状结构岩体力学的回顾与展望

从结构面的特性、块状结构岩体的局部稳定性、块体结构岩体的整体稳定性、块状结构岩体的力学参数、块状结构岩体渗流五个方面,简要地回顾了具有块状结构特征的岩体力学发展过程及研究现状。指出块状结构的岩体本身是一 种特殊的工程材料,不确定、非均质、各向异性、非连续、非线性是其主要特征。认为块状结构岩体力学的发展方向应进一步采用不确定性理论、现代非线性系统动力学原理与传统理论结合的研究理念。     

《岩体结构力学》

本项成果是水利水电工程、建筑工程、铁道工程、矿山工程、国防工程中存在的地质工程(岩石地基、岩石边坡、隧道等)勘察、试验、设计、施工等的基础理论,也是地震、山崩、滑坡等地质灾害预报和防治的基础理论。 该项成果是孙广忠教授二十多年来组织、领导和参加三十余项大中型工程地质勘察、岩体力学试验研究及设计、施工实践的总结。该项成果系统的研究了岩体结构力学效应,研究了岩体结构对岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质控制等方面一系列规律,提出了“岩体结构控制理论是岩体力学基础理论”、“岩体结构力学效应是岩体力学的力学基础”、“岩体结构分析方法和结构力学分析方法是岩体力学研究的基本方法”等一     

受载煤岩力电耦合的损伤力学模型研究

电磁辐射技术在地震和矿山煤与瓦斯突出、冲击矿压预报已经进行了较为广泛的应用,受载煤岩体电磁辐射与变形破裂过程紧密相关.根据煤岩强度的统计理论和损伤力学理论,建立了受载煤岩力电耦合的损伤力学模型,用该模型对实验结果进行了数值模拟.结果表明,煤岩材料的破坏是内部代表性体元微损伤累积的结果,电磁辐射可以反映煤岩体的损伤程度,该模型能够较好地描述电磁辐射与应变之间以及应力-应变之间的关系,可以为电磁辐射方法现场评定煤岩体受力状态和预测预报煤岩动力灾害现象提供理论基础.     

英国岩体结构概率模型研究现状

目前岩石力学研究有三个方向,一是以研究地壳地质构造变形、断裂和发震机制为目标的构造岩石力学;二是以研究钻探、掘进破岩机制为目标的破碎岩石力学,三是以研究工程岩体稳定为目标的工程岩石力学方向.工程岩石力学经过几十年的发展,目前已经由岩块力学阶段进入到岩体力学阶段.工程岩体力学的研究对象是地壳表层岩体.岩体是长期地质作用过程中形成的,由岩块和不连续面网络组成的,具有天然初始应力的地质结构体.把岩体作为一种力学材料(或力学介质)研究时,其力学习性和渗透特征主要受不连续面网络控制.因此研究岩体中不连续面网络分     

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 .     

含采空区层状岩体微震信号传播规律试验研究

微震信号在层状岩体中传播规律的研究对于实现震源准确定位具有重要的现实意义。在天然岩体中,微震信号在岩层中传播的速度,不仅受其内部因素即岩石自身物理性质的影响,还受外部因素如地质结构面、断层及采空区等条件的影响。通过室内试验的方法对微震信号在不同岩层及采空区处的传播规律进行研究。结果表明：波速随着传播距离的增加而逐渐衰减,且岩层密度越大衰减越慢;穿过的结构面数量越多,微震信号传播速度衰减比例越大;能量的衰减与波速的衰减一致。采空区断面横截面积越大,微震信号通过的用时越长;采空区周围岩石密度、弹性模量等物理性质的数值越大,微震信号通过时衰减越少。边际谱分析结果表明：断层对频率高的微震信号阻碍作用更强。     

Computational dynamic homogenization for the analysis of dispersive waves in layered rock masses with periodic fractures

The analysis of the wave propagation in layered rocks masses with periodic fractures is tackled via a two-scale approach in order to consider shape and size of the rock inhomogeneities. To match the displacement fields at the two scales, an approximation of the micro-displacement field is assumed that depends on the first and second gradients of the macro-displacement through micro-fluctuation displacement functions obtained by the finite element solution of cell problems derived by the classical asymptotic homogenization. The resulting equations of motion of the equivalent continuum at the macro-scale result to be not local in space, thus a dispersive wave propagation is obtained from the model. The simplifying hypotheses assumed in the multi-scale kinematics limit the validity of the model to the first dispersive branch in the frequency spectrum corresponding to the lowest modes.Although the homogenization procedure is developed to study the macro-scale wave propagation in rock masses with bounded domain, the reliability of the proposed method has been evaluated in the examples by considering unbounded rock masses and by comparing the dispersion curves provided by the rigorous process of Floquet–Bloch with those obtained by the method presented. The accuracy of the method is analyzed for compressional and shear waves propagating in the intact-layered rocks along the orthotropic axes. Therefore, the influence of crack density in the layered rock mass has been analyzed. Vertical cracks have been considered, periodically located in the stiffer layer, and two different crack densities have been analyzed, which are differentiated in the crack spacing. A good agreement is obtained in case of compressional waves travelling along the layering direction and in case of both shear and compressional waves normal to the layering. The comparison between two crack systems with different spacing has shown this aspect to have a remarkable effect on waves travelling along the direction of layering, and limited in the case of waves propagating normal to the layers.The equivalent continuous model obtained through the dynamic homogenization technique here presented may be applied to the computational analysis of non-stationary wave propagation in rock masses of finite size, also consisting of sub-domains with different macro-mechanical characteristics. This avoids the use of computational models represented at the scale of the heterogeneities, which may be too burdensome or even unfeasible.     

Propagation Characteristics of Blasting Stress Waves in Layered and Jointed Rock Caverns

The existence of joint fissures makes explosive actions between rock masses more complex. Therefore, it is of great significance to carry out experiments studying blasting stress waves propagating in jointed rock masses. Based on the Froude Similarity principle, the geological mechanical models of intact rock masses and jointed rocks have been proposed. A blasting vibration experiment was carried out and demonstrated that the propagation of the blasting stress waves and changing structures have an important relationship. A numerical simulation of the blasting stress wave propagation law in a layered jointed rock mass was carried out. This study found that with an increase in the joint angle, the peak velocity of blasting stress wave, transmission coefficient and reflection coefficient all gradually increased, while the attenuation coefficient gradually decreased. With an increase in joint spacing, the attenuation rate of the blasting stress waves increased.     

岩石爆破过程S波的产生机制分析

全面总结、分析了岩石爆破过程S波的产生机制,表明短柱状药包、炮孔周围岩体的开裂与破碎以及装药偏离球形或柱形空腔中心,均可诱发S波,并且诱发S波的幅值可超过P波;P波传播过程与岩体界面的相互作用,可产生次生的S波（透、反射SV波）。在此基础上,就爆破振动场模拟方法与计算模型选择中如何体现S波的产生机制方面提出了建议     

块系岩体非协调动力响应特征试验研究

岩体在块系构造状态下的动力传播存在块体和块体间软弱介质的非协调变形现象，对岩体结构的动力稳定产生重要影响。目前块系岩体的非协调动力传播响应研究尚不充分，导致不能进行有效的动力响应特征识别。通过试验对块系岩体非协调动力传播过程岩块动力响应特征进行研究，分别从动力传播速度、岩块加速度振幅衰减、岩块振动位移响应、岩块振动持续时间、块体动能显现、块体振动频域响应特性等方面对比纵波传播，给出块系岩体非协调动力传播的特征分析。通过分析可知，块系介质非协调变形运动产生的动力传播现象相比于纵波传播是一种低频低速波，并伴随着岩块的大位移运动，同时岩块振动持续时间较长，蕴含着动能与势能的相互转换过程，这些现象构成了块系岩体非协调动力传播的重要特征。该研究将为识别岩体非协调动力传播特征及块系岩体的冲击预警波动特征识别提供参考。     

岩石在动载作用下的破坏与强度

研究岩石的动载性能,在凿岩爆破上有重要意义。分段式霍布金生杆已应用于研究岩石对波动载荷的效应。作者使用改型的霍布金生杆法对岩石试件在动载下的破坏强度作了试验研究。冲击试验台配合微处理机作高速数据显示与处理,借助应力波在弹性杆中的一维理论对数据进行解释。测定了多种岩石静载与动载的强度,并对岩石试件尺寸及加载速率的影响也作了试验。     

节理对爆炸波传播影响的数值研究

采用加入无反射边界条件的DDA程序,研究了节理面对应力波传播的影响。结果表明,节理面能阻碍波的传播,有利于波的衰减,节理面越多,波的反射越强,而波的透射越弱。模拟了一个现场爆炸试验,研究爆炸产生的应力波在节理岩体中传播、衰减的规律,模拟结果与现场试验结果比较吻合。研究表明,DDA方法可以模拟节理面对应力波传播的阻碍作用,用它来模拟爆炸波在节理岩体中的传播是适用的。     

准各向同性裂隙岩体中有效动弹性参数与弹性波速关系的研究

从弹性波在介质中传播的特点和弹性波法在岩体工程中的实际应用情况方面,分析了弹性波在含裂隙岩体介质中的传播特征。将岩体中裂隙呈随机分布的裂隙岩体似为准各向同性裂隙岩体,根据能量平衡原理、岩石断裂力学理论和卡氏最小功能定理(Castiglano’s theorem),确定了准各向同性裂隙岩体的有效动弹性参数( 、 、 )与裂隙密度参数(Xv)的数学关系。在此基础上,根据各向同性介质中传播的弹性波理论,建立了准各向同性裂隙岩体中弹性波速( 、 )和 / 与裂隙密度参数(Xv)之间的关系。理论研究表明,在此裂隙岩体中,有效动弹性参数和弹性波速与裂纹密度参数之间相互的关系均近似成倒数函数的非线性关系;裂隙密度参数增加,有效动弹性模量( )也减少,弹性波速( , )也减小;在裂隙密度参数较小时,此裂隙岩体的有效弹性模量和弹性波速随裂隙密度参数的变化较大,说明裂隙体的有效弹性参数和弹性波速对裂隙体非常敏感。     

Validation study of the distinct lattice spring model (DLSM) on P-wave propagation across multiple parallel joints

A validation study of the distinct lattice spring model (DLSM) for wave propagation problems is performed. DLSM is a microstructure-based numerical model, which is meshless and has advantages in modelling dynamic problems where stress wave propagation is important. To verify the applicability of DLSM to modelling wave propagation through a discontinuous medium, the virtual wave source (VWS) method is used to obtain analytical solutions for wave propagation across a jointed rock mass. Numerical modelling results of the commercial code UDEC are selected as the reference. The effects of particle size and lattice rotation angle on wave propagation are first studied. Then, the results of wave transmission across a single joint with a different joint stiffness and across multiple parallel joints with different joint spacings are derived with DLSM, UDEC and VWS. These results are in good agreement with each other. Therefore, the capability of DLSM to model P-wave propagation across jointed rock mass is verified, which provides confidence for the further application of DLSM to modelling more complex problems.