岩土破损演化理论(Ⅰ):破损空间

指出当前利用CT数研究岩土力学的所有方法为观察研究,浪费了宝贵的CT定量化信息.利用CT数定义了岩样某点的完整度和破损度.根据完整度和破损度的水平以及集合论定义了λ水平完整域、λ水平破损域和(λ1-λ2)截理,利用测度论精确度量它们的大小,在此基础上建立了岩土介质完整空间和破损空间的概念,为利用CT数开展岩土介质力学性质定量分析开创了新途径.如果将λ水平由细观值逐渐放大到宏观值,则该方法适应于宏观岩土力学,实现了宏观力学与细观力学的统一描述,实现了连续介质力学与多孔或裂隙介质力学的统一描述.     

岩土破损演化理论(Ⅱ):物理状态指标与分区破损理论

指出当前利用CT数研究岩土力学的所有方法仅为观察研究,浪费了宝贵的CT定量化信息。利用集合论和测度论知识,基于CT数定义了岩土材料的λ水平破损比与λ水平破损率、(λ1-λ2)水平截理比及其截理率的概念,研究了λ水平破损率与CT数及密度的关系;研究了破损产生的位置和破损判据。基于破损空间截理的概念将岩土材料区分为安全区、损伤进行区和破损区,定义了损伤进行区下、上限边界面,给出了强化-弱化准则的定义,建立了岩土体分区破损本构关系,并进一步推导了岩土破损空间理论的基本方程。     

岩土破损力学:结构块破损机制与二元介质模型

沈珠江等在总结岩土材料的基本特性、分析理论和研究方法的基础上,提出了岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念。基于岩土二元介质模型思想,近年来在试验、理论和数值模拟方面对结构性岩土材料进行了详细研究。通过对棒状和棱柱状结构块试件的平面试验,探讨了结构性岩土材料的破损机制,并发现了在受荷过程中结构块逐渐破损并转化为软弱带二者共同抵抗外部作用,即验证了二元介质模型对结构性岩土材料力学抽象的正确性;扩展了岩土二元介质模型对岩土材料的脆性变化进行了模拟,并与结构性土和砂岩的三轴试验结果进行了验证;基于二元介质模型概念,发展了一种模拟岩土材料破损过程的细观数值方法,同时提出了适用于结构性岩土材料的强度准则。     

岩土破损力学的系统论基础

天然岩土材料与其它材料的根本不同点在于它的结构性,而形成结构性的根本原因在于胶结的不均匀性.胶结强的部位形成结构体,胶结弱的部位形成结构面.岩土材料是由结构体和破损带组成的二元介质.本文分析了岩土材料的系统特性,对岩土破损力学进行了介绍,从非线性科学的角度阐述了岩土破损力学的系统论基础.     

结构性土二元介质本构模型及破损率影响因素的研究

岩土类材料是非均质的具有微缺陷的天然材料,岩土破损力学将岩土材料抽象成由结构块和结构带组成的非均质二元结构体。破损率演化方程反映了岩土材料在外部荷载作用下,结构块向结构带动态变化程度的过程。从细观尺度上分析结构性土体变形、破坏过程发展机制,揭示土体在荷载作用下结构块向结构带转化的过程。最后,针对杨陵黄土,通过三轴剪切试验,研究围压、含水率对破损率演化规律的影响。研究结果表明,单参数模型的破损率与围压和含水率没有关系,使从实验上证明参数模型的破损率是大主应变的函数。     

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法（DEM）研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量（体积应变和剪应变）的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明：胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。     

基于BP神经网络的岩土体细观力学参数研究

目前颗粒流计算方法中所采用的细观力学参数,均需根据岩土体宏观力学参数试验结果反复调试获取,调试效率很低且有较大的盲目性,因此,急需引入一种新方法,建立岩土体宏观力学参数与细观力学参数的关系。基于PFC3D程序,采用BP(back propagation)神经网络方法,建立宏观力学参数与细观力学参数的非线性模型,通过输入宏观力学参数,即可快速、准确地反演岩土体细观力学参数。研究结果表明：(1)根据BP神经网络模型反演确定的细观力学参数,输入数值模型计算其宏观力学参数,结果与试验值相比,精度一般高于90%;(2)当模型最小尺度上的颗粒数RES = 10、隐含层含6个神经元时,BP神经网络模型的反演性能最佳。实例计算表明,BP神经网络模型对于岩土体细观力学参数的确定具有良好的反演性能,该方法为颗粒流理论的推广应用提供了新的技术手段。     

结构性土的微观破损机理研究

在前人研究的基础上,针对凸多面体相互接触的性质,推导了三维状态下的微观接触力和宏观应力的关系,并应用于结构性土的研究中。对结构性土,采用以土颗粒之间的胶结和组构为基本研究对象的研究方法,在二元介质理论框架内推导出结构性土破损规律及迭代公式,提出3种破损方式（剪碎、压碎、混合型）,同时推导了宏观的柔度张量;对各向同性的结构性土,在球应力加载条件下的破损规律以及变形规律进行了研究,得到了解析解,简单分析的结果与实际相符。     

卸荷路径下棱柱状结构体试件破损过程试验研究

通过棱柱状结构体在不同排列方式下的平面应变压缩试验,研究了侧向应力卸载状态下结构体的破损过程,探讨了结构性岩土材料在卸侧向应力状态下的变形和破损机理。试验发现,在侧向应力卸载的过程中,棱柱状结构体会发生错动和结构体的破碎,结构体的破损方式主要有劈裂破坏和剪切开裂两种。结构体试样逐渐破损,宏观上出现应变硬化或应变软化现象,最后形成宏观的破损带。试件的总体体积是收缩的,侧向变形则由收缩逐渐转化为膨胀。     

非均匀岩石介质单轴压缩强度及变形破裂规律的数值模拟

以有限差分法(FDM)为计算框架,利用Weibull分布描述细观单元弹性模量和单轴抗压强度的分布特征,采用弹塑性应变软化本构模型描述细观单元的力学响应,进而建立一种模拟非均匀岩石介质破裂的数值模型。采用该数值模型探讨了单轴压缩时细观均质度m及细观结构对数值试样宏观特性的影响。结果表明,（1）随着细观均质度提高,数值模型的非线性特征逐渐减弱,脆性逐渐增强;宏观峰值强度及弹性模量逐渐增大,峰值强度与lnm呈线性关系,而弹性模量与1/m为线性关系;数值试样表现出由塑性流动破坏至剪切破坏进而为张拉破坏的破坏模式;（2）当细观均质度一定时,细观结构或细观单元空间排列是决定岩石力学行为波动性的主要因素;应力–应变曲线峰前阶段对细观单元的空间排列不敏感,但峰值强度附近及峰后阶段对细观单元的空间排列比较敏感。     

三维岩石力学参数场随机模拟预测方法及应用

以提高油田采油速度为目的的人工压裂裂缝施工改造,对当前广泛应用于求取岩石力学参数的常规测井资料法提出了更高的要求。提出三维岩石力学参数场随机模拟预测的方法,即以已知有限的常规测井资料计算出来的岩石力学参数曲线作为硬数据输入,以已知地震属性数据体及泥页岩水化和岩石环境参数数据作为软数据约束,选择序贯高斯模拟方法,随机模拟得到动态规律变化的岩石力学参数的三维空间数据场,然后由岩石力学参数的三维空间数据场预测空间任一位置的岩石力学参数在井上的测井响应,并把该反映动态规律变化的测井响应按照油田勘探开发的要求输出成特定格式,供生产和工程上使用。该方法为当前岩石力学参数的求取开辟了一条全新的途径,对勘探开发上制定完善的钻井、完井与油气开发方案和技术措施提供重要的指导作用。     

偏最小二乘回归法在库岸再造预测中的应用

简述了单因变量偏最小二乘回归法的基本原理和计算步骤.针对水库库岸再造预测的特点,将三峡库区巫山县段的岩质库岸划分为漫滩段、枯-洪水位变幅带、常见洪水位以上段3种类型.建立了坡角与岩体类型、力学性质、地形地貌之间的3个偏最小二乘回归方程.计算结果表明,组成岸坡的岩体类型、性质是决定库岸再造的最主要因素,地形地貌因素次之.应用偏最小二乘回归模型,可提高库岸再造预测的准确度,为土地利用提供决策支持.     

高分辨率层序地层分析中基准面变化的讨论

基准面有三个不同的概念,即侵蚀基准面、沉积基准面和地层基准面。目前对于基准面的解释和应用存在争论,在应用中尤其比较模糊。在对高分辨率层序地层学中地层基准面的解释进行分析及基础上,对其在解释以海相沉积环境为主的部分提出了质疑并就可容空间与地层基准面的关系问题进行了讨论。可容空间是层序地层学关键概念,基准面也是层序地层学很重要的概念,两者对于解释层序形成机制是非常重要的。侵蚀基准面、沉积基准面、地层基准面都是势能面,都是动力学界面,都是变化的,只是分析的基准不同、形成的机制不同。为了深入地揭示这三种基准面的特征,还应该考虑基准面的定量研究问题。     

基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述

基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。     

泥页岩组构X射线衍射定量分析方法

泥页岩组构意指构成泥页岩的成分单位（分散颗粒、矿物晶体和胶结物等）的空间定向性。首先详细地论述了利用Ｘ射线衍射仪进行泥页岩组构分析的基本原理和实验方法，而后为便于定量地描述泥页岩的组构特征，引入了“定向度”概念并据此把泥页岩组构分成５种类型，进而详细地论述了实际样品分析中的定向度计算方法以及渤海湾盆地黄骅坳陷（大港油田）部分泥页岩样品的计算实例     

基于概率分析的渗流计算方法及应用

以随机理论为基础,把岩土体渗透系数视为随机变量。根据渗透系数的概率分布,把岩土体视为按概率分布的不同渗透系数介质的混合体,不同渗透系数介质对渗流场产生贡献的大小由其概率的大小来确定。在确定岩土体渗透系数后,通过渗流方程就可求出不同渗透系数作用下区域内的水头分布和断面流量,再根据渗透系数的概率大小进行叠加,求出整个区域内的水头分布和断面流量。工程实例表明,该方法较确定性有限元法误差小,可作为渗流计算的又一方法用于渗流分析。     

An Index for Estimating the Stability of Brittle Surrounding Rock Mass: FAI and its Engineering Application

Based on the geometric analysis of the relationship between the stress state at a point and the yield surface defined in the principal stress space, a coefficient ω is set up as an estimation index to describe the stress-induced yield risk. After yield, the equivalent plastic shear strains is usually used to characterize the failure degree (FD) of the material and adopted here as an index of the damage degree for the surrounding rock masses. Then, a unified variable combining ω and FD, named failure approaching index (FAI), is constructed to estimate the stability of rock mass which may be at different deformation stages. The formulas of FAI are derived for some popular yield criteria in geomechanics. Details for such development are addressed in the paper. Its rationality is verified by numerical simulation and comparative analysis of the conventional triaxial compression tests and typical tunnel projects. In addition, the method for applying FAI to the stability estimation of surrounding rock mass is proposed. As examples, the stability of the underground powerhouse, access tunnels and headrace tunnels at the Jinping II hydropower station are estimated by making use of the method we presented. The results indicate that not only is the index rational in mechanics, but the theory also has good expansibility, and the estimation methods are simple and practical as well. It is easier for field engineers to analyze and understand the numerical results.