节理岩体力学性能不确定性分析方法研究

基于连续介质损伤力学框架,通过损伤张量和有效应力来描述节理岩体的力学性能,自主研发了基于损伤力学模型的有限元程序（CD-FEM）,用于节理岩体等效力学性能研究。同时,采用Karhunen-Loeve（K-L）展开来分解随机输入场,用混沌多项式来表示随机输出场,采用概率配点法生成配点,再由连续损伤有限元分析系统CD-FEM求解确定性方程组,最终得到输出域的统计数据,从而提出了一种将随机分析与基于连续损伤力学模型的数值分析方法解耦进行节理岩体不确定性力学行为分析的方法。利用该方法,对一典型节理岩体在加载条件下的力学行为进行不确定性分析,并与蒙特卡罗方法进行对比,结果表明,所提方法的计算量大大减少,极大地提高了节理岩体力学性能不确定性分析的效率,可应用于对节理岩体在不同载荷条件下的不确定性进行分析。     

岩体卸荷力学特性的数值仿真研究

岩体卸荷力学性质主要表现为非线性和各向异性等特征,与常规岩体试验结果和假定存在着差别,采用数值仿真的方法对卸荷岩体力学特性进行研究,阐述卸荷岩体力学特性研究的重要性;给出了数值仿真分析研究的岩体加、卸载条件;利用大型有限元软件ADINA建立数值仿真模型,对模型进行计算分析,并和已有试验成果进行对比,得出了卸荷岩体力学特性的有关规律。     

卸荷条件下锚杆对节理岩体力学参数的影响

岩体在加载和卸荷条件下,其力学性质有本质的区别。采用数值模拟方法,以ADINA软件为计算平台,研究了卸荷条件下,锚固密度、锚杆长度和岩体性质3个因素对节理岩体力学参数的影响。采用等效变形参数的方法计算节理岩体和锚固体的等效变形模量和泊松比。在分析数值计算结果的基础上,分析了加锚后等效变形模量En与锚固密度N和锚杆长度L之间的关系。     

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.     

矿山采动卸荷岩体力学参数劣化规律研究

矿山开采对采动影响区域内的围岩形成扰动,弱化岩体力学性质,其参数劣化规律是数值模拟与分析计算的主要问题之一。以铜坑矿92#矿体连续采矿顶板诱导崩落试验采场为对象,运用卸荷岩体力学理论,确立了开挖卸荷岩体力学参数计算模拟的计算流程。结合有限元数值模拟方法,建立了岩体卸荷等效模型,进行了6步连续卸荷的计算,得到了地下连续采矿顶板卸荷岩体力学参数的变化规律,并运用多项式实现了卸荷岩体力学参数与卸荷量变化值的函数拟合,获得了采动卸荷岩体力学参数的劣化规律。结果显示,卸荷第6步时,计算不收敛,表明此时顶板已经完全破坏而发生崩落;在卸荷过程中,岩体力学参数均呈逐渐弱化的趋势,其中内摩擦角、凝聚力和弹性模量随开挖卸荷的推进呈逐渐减小的趋势,最终的参数分别相当于初始值的55%、50%和50%,但泊松比呈逐渐增大的趋势,最终值相当于初始值的1.15倍。其结果说明了采动卸荷导致了岩体质量的劣化,卸荷岩体力学参数与卸荷量的函数为采动卸荷力学响应的动态分析提供了理论基础。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。      

岩体中不连续块体的力学分析方法

为了利用损伤力学理论分析岩体结构中的不连续块体,作者首先介绍了不连续块体的裂隙面积密度和等效损伤体等概念,进而分析了等效损伤体的损伤张量和真应力。在提出平均有效应力的概念之后,完成了有限单元法的离散化过程,最后给出了一个完整的计算不连续块体的数值方法。     

非贯通节理岩体损伤变量计算方法研究

作为岩体组成部分的非贯通节理对岩体力学特性有着重要影响,然而几乎目前所有的岩体损伤变量计算方法都仅考虑节理几何参数对岩体力学特性的影响。对含单组非贯通节理的岩体力学特性进行研究,提出一个能够同时考虑节理几何及强度参数对岩体力学特性影响的新的岩体损伤变量计算方法。首先,采用弹性余能等效假设代替Lemaitre应变等效假设研究由节理引起的岩体各向异性损伤,并基于断裂力学中单个节理引起的附加应变能增量与损伤力学应变能释放量相关联的观点,推导出由单条节理引起的损伤变量计算公式。其次,根据断裂力学理论获得了单轴压缩下单条节理尖端应力强度因子（SIF）KⅠ、KⅡ的计算公式。最后,通过考虑节理间的相互作用给出了单组单排或多排节理尖端应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式,得到了单组节理引起的岩体损伤变量计算公式,并与已有试验结果的对比分析证明了该公式的合理性。     

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。     

锦屏电站坝厂区卸荷岩体力学参数研究

选择具有代表性的区块,根据结构面的性状和规模拟定模型层次和尺寸,建立岩体数值仿真模型,通过计算机数值仿真,采用卸荷非线性力学理论对锦屏电站坝厂区岩体进行卸荷岩体宏观力学特性及参数的数值分析;同时,用RMR法和BP神经网络法对岩体宏观力学特性及参数进行分析,综合确定岩体力学参数,为设计部门提供设计参考依据.     

岩体损伤力学理论进展

回顾了对损伤及岩体损伤理论的发展历史，并简要介绍了岩体损伤力学的主要内容，任务和研究它的若干假设，详细讨论了什么是损伤的表征，什么样的变量可作为损伤变量及如何用直接的或间接的，力学的或物理学的方法来测量它们，研究表明，岩体的损伤是在初始损伤的基础上累进性发展的，是不可逆的，研究材料的损伤演化时，可引进一些能反映材料内部结构变化的内变量构成损伤演变方程，损伤演变过程的研究也必是今后研究的热门。     

泥岩弹塑性损伤本构模型及其参数辨识

以连续介质力学和不可逆热力学为基础,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,建立了泥岩弹塑性损伤本构模型反映泥岩软硬化行为,通过构建损伤势函数导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构模型及其参数反演程序。并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数。研究成果表明,所提出的弹塑性损伤本构模型能有效地描述泥岩在不同应力状态下的力学特性。     

A rock damage constitutive model and damage energy dissipation rate analysis for characterising the crack closure effect

Due to the insufficiency of the previous damage constitutive model for rock, an improved damage mechanics model for rock is proposed with characterising the crack closure effect. Otherwise, the effective methods of determining the model parameters and crack closure coefficient are proposed. The results represent that the model can reflect the damage evolution of rocks in the deformation process in the crack closure stage and this improved model is more reasonable than the previous model. Crack closure coefficient also has great effect on distribution parameters. The calculation formula of damage energy dissipation rate considered that crack closure effect is derived and the relationships between damage energy dissipation rate and crack closure coefficient are analysed. Crack closure coefficient has great effect on damage dissipation energy rate. Damage energy dissipation rate increases with the decrease of crack closure coefficient and damage energy dissipation rate increases quickly in the post-peak stage.     

岩石类材料的能量基率相关弹塑性损伤模型

岩石类材料的动态本构模型研究是岩石动力学理论研究的基础问题。相比于其他的非线性理论,损伤力学理论已证实可成功地模拟岩石类材料的应变软化和渐进破坏等特征,可用于解释其静、动态破坏机制。现有的通过理论推导得出的动态本构中大部分并未考虑损伤因素,而通过维象学试验方法建立起的动态本构则缺乏损伤力学理论基础。为此基于弹性余能等效原理和损伤力学的基本概念,并结合动态试验,推导建立了岩石类材料的率相关弹塑性损伤模型。并通过与文献中的试验资料对比,证明了模型的有效性,为岩石类材料组成的结构的动力响应研究奠定了基础。     

岩石受压状态的损伤分析

以损伤力学的方法对岩石在受压状态下的破坏行为进行了分析，损伤力学（CDM）方法近年来在金属、混凝土及复合材料等工程材料的蠕变、断裂等问题的研究中得到大量应用。损伤演变是物质内部结构的不可逆变化过程，损伤变量是与塑性变形一样的内变量，文中据实验数据推导出某类岩石的损伤变量演化曲线，以及损伤与应力的变化关系，以期用损伤学方法研究岩石变形的局部化行为。     

压缩载荷下准脆性材料宏细观损伤变量研究

在连续损伤力学的基本框架内构建损伤力学模型,而对损伤变量的定义及其演化方程的描述则充分借鉴细观损伤力学的研究成果,就可以建立一个宏细观相结合的损伤模型。对于压缩载荷下准脆性材料损伤,通过假设宏观损伤分析和细观损伤分析所得到的有效弹性张量等价,可以求得宏观损伤变量与细观损伤机制相关的表达及其损伤演化方程,进而可以建立宏细观相结合的损伤模型,并以单轴压缩为例表明这种分析方法是可行的。     

双江口工程地下洞室群围岩损伤及稳定性研究

对四川省双江口水电站工程的地下洞群的节理岩体围岩稳定性进行研究,分别采用了弹塑性模型、节理岩体断裂损伤模型进行数值分析。在弹塑性模型中,采用锚固等效法来模拟锚杆及锚索的支护效果。断裂损伤模型以损伤及断裂力学原理为基础,运用损伤本构模型和损伤演化方程在FLAC3D软件的框架下开发出子程序,考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,进而得到用上述的模型和计算程序分析出的围岩塑性区、损伤演化区和位移规律。将两种模型的计算结果与相应工程模型试验的结果进行了比较分析。研究结果表明,损伤模型更接近工程实际情况,与模型试验结果更为接近     

多裂隙岩体的损伤断裂模型及模型试验

对于由裂隙、岩石组成的多裂隙岩体,本文通过对裂隙岩体内的应力、应变的体积平均,提出了适合于这种岩体的等效连续模型。运用损伤力学以及断裂力学理论,定义了岩体损伤张量、有效应力张量、损伤应变等,建立了损伤演化方程,从而建立了多裂隙岩体的损伤断裂模型。对岩体裂隙的扩展方式进行了模拟试验。     

Deformation and fracturing behaviour of discontinuous rock mass and damage mechanics theory

The mechanical behaviour of a rock mass is strongly affected by discontinuities such as faults and joints. In this paper, a damage mechanics theory is proposed which deals with some sets of discontinuities distributed in a rock mass, for example, joint systems. In this theory, the distributed discontinuities are characterized by a second-order symmetric tensor, called the damage tensor. By introducing the damage concept, the deformation and fracturing behaviour of the rock mass can be reated in a framework of continuum mechanics. A numerical procedure is developed in order to implement the damage mechanics model by using the finite element method. The theory and numerical analysis are applied to several laboratory tests and a practical underground opening problem. Numerical results are compared with measured data.     

基于损伤力学分析的水力压裂三维裂缝形态研究

水力压裂三维裂缝形态及延伸的预测是评价水力压裂效果的主要因素,采用了损伤力学与断裂力学相结合的方法,描述了裂缝表面岩体的力学行为,建立了裂缝面上的损伤判据与损伤演化方程。根据岩石力学与渗流力学,采用有限元方法建立了低渗透储层岩体的流固-损伤耦合方程,并采用Newton-Raphson与线性搜索相结合的方法进行求解,获得了低渗透油层水力压裂三维裂缝的动态扩展过程及最终形态,揭示其力学本质。通过算例验证了理论及计算方法的正确性。在此基础上,分析了影响裂缝扩展的主要因素,其结果可为水力压裂设计提供较为可靠和准确的预测手段,以提高油层水力压裂措施的成功率