硬岩裂纹起裂强度和损伤强度取值方法探讨

岩石裂纹起裂强度σci和损伤强度σcd的研究对探讨岩石渐进破坏过程和脆性破坏机制,建立岩石的起裂强度和长期强度准则具有重要意义。鉴于此,系统总结了岩石起裂强度和损伤强度的4种计算方法,包括裂纹应变模型计算法,声发射参数取值法,侧向应变、体积应变曲线观察法和移动点回归法,并以大理岩和花岗岩在单轴压缩条件下为例,详细描述了用不同方法计算σci和σcd时存在的问题。研究结果表明,裂纹应变模型法物理意义明确,可以方便和准确地确定岩石的σci和σcd;声发射撞击率可以定性或半定量了解岩石的渐进破坏和损伤过程,但无法准确定量确定σci和σcd;移动点回归法计算体积应变刚度时受取值点间隔影响较大,而且加载过程中不同阶段的特征并不明显,难以确定起裂强度值。研究结论可为加深对岩石裂纹起裂强度和损伤强度的重要意义的认识,了解两个强度值的计算方法并合理选取其计算方法提供有益的参考。     

DUT-1合成模型冰的弯曲强度和弹性模量实验分析

依据渤海海冰物理和力学特征值和国内水池实验室能力,以1:10～1:30比尺要求,发展了DUT-1合成模型冰.文中简介该模型冰的理想参数、成分和制备过程.就其弯曲强度和弹性模量进行系统的实验分析.通过500多次弯曲实验,获得该模型冰在不同加载速度下的破坏方式,各向同性证据和弯曲强度为35～65kPa和弹性模量平均53MPa的结果.并且得到弯曲强度和弹性模量在实测湿密度范围内呈递增关系,浸水模型冰性能稳定时间超过4h,弹性模量与弯曲强度之比82%超过2000.     

基于弹性模量退化的冻土动力损伤特性研究

为研究冻土在不同温度下的弹性模量退化与动力特佂,通过对不同负温条件下冻土试样进行循环加、卸载试验,获得其在动荷载作用下的应力-应变滞回曲线与疲劳损伤寿命。按照疲劳寿命与应力幅之间的关系确定了冻土在不同温度下的疲劳损伤参数。根据冻土的弹性模量退化规律提出了动弹模衰减控制方程并建立了冻土唯象疲劳损伤模型。根据冻土实测的循环加卸载滞回曲线特征,提出了理想和非理想滞回圈情况下阻尼比联合分析方法;基于Kelvin模型建立了滞回圈演化规律与弹性模量退化及加载时间的数学联系。研究发现：考虑了动弹模衰减影响的唯象疲劳损伤模型描述了冻土的加速疲劳损伤特征;理想滞回与非理想滞回阻尼比联合分析方法考虑滞回圈的实际演化特征;基于弹性模量退化的Kelvin流变模型建立了滞回圈曲线与加、卸载时间的数学联系。     

地应力与岩石弹性模量关系试验研究

在北京某深孔原岩应力测量和原岩应力测量段同等深度单轴及不同围压下的三轴岩石力学试验的基础上,结合统计的钻孔岩体结构参数,分析了原岩应力测量段深度处修正前、后的岩石弹性模量,进而探讨了地应力与岩石弹性模量间关系。结果表明,在花岗岩中,主应力大小与修正前、后的岩石弹性模量间均呈正相关关系,而在灰岩中,主应力大小与修正前、后岩石弹性模量间的关系不明确,需要进一步研究;在花岗岩中,主应力大小与修正后的岩石弹性模量间的相关性系数高于主应力大小与修正前的岩石弹性模量间的相关性系数;各向同性高的岩体（如花岗岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性好,而各向异性大的岩体（如沉积岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性较差     

弹性模量和泊松比对边坡稳定安全系数的影响

根据土的弹性模量和泊松比满足双曲线关系，给出了弹性模量和泊松比折减的基本原理。通过算例分析表明，调整泊松比对安全系数的求解是有影响的，而弹性模量的影响一般较小。算例亦表明，位移控制方法具有较高的稳定性和收敛性，在运用有限元强度折减方法求解边坡的安全系数时，建议采用位移控制方法来控制其收敛性。     

基于三维结构面网络模拟的岩体变形模量确定方法

变形模量作为表征岩体变形特征的重要参数,是岩体工程设计的基础力学参数之一。在综合前人研究的基础上提出了基于三维结构面网络模拟确定岩体变形模量的方法,编制了三维结构面网络模拟及计算RQD值的程序。以西南山区某水电站坝址区岩体为实例,在概率统计各组优势结构面几何要素分布形式的基础上,采用Monte Carlo法生成三维结构面网络模型,据此获得岩体三维RQD值,利用RMR法进行质量评价和变形模量的确定,并与钻孔资料统计法和原位试验结果进行对比分析。结果表明：基于钻孔资料统计的估算结果与原位试验相对误差达31.62%,且其估算值偏低;基于三维结构面网络模拟的估算结果与原位试验相对误差仅为2.56%,估算结果精度较高。该方法考虑了岩体质量的空间各向异性,对岩体的质量评价和参数确定更为合理,研究成果为该工程的优化设计提供了合理的计算参数。     

循环冻融条件下节理岩体损伤破坏试验研究

通过循环冻融和相似材料试验,研究了节理岩体在冻融条件下的损伤破坏机制及其相应的力学特性。通过对经历冻融循环后的试件损伤破坏模式的观察和单轴压缩试验,重点研究了节理倾角、节理贯通度、节理条数、节理充填物厚度、节理充填物类型、试件饱和度、冻融循环次数等对试件冻融损伤破坏模式、单轴抗压强度和弹性模量的影响。研究发现：节理存在及其物理力学性质对岩体的冻融损伤破坏模式及强度均有很大影响。节理倾角通过影响冻融裂纹的起裂位置进而影响其破坏模式和强度;随着贯通度的增加,试件表面裂纹由稀变密;随着节理条数增加,试件受冻融影响明显加剧;随着节理充填物厚度增加,试件冻融损伤程度先增加后减小;节理充填物类型对试件冻融损伤程度也有一定影响;随着试件饱和度的增加,试件冻融损伤程度先减小后增加;随着冻融循环次数的增加,节理试件表面因冻胀引起的裂纹逐渐增多、变宽,且其抗冻融特性较完整试件差。上述研究成果对寒区岩体工程建设及安全运营具有重要的参考价值。     

Three-dimensional finite element simulation of fracture propagation in rock specimens with pre-existing fissure(s) under compression and their strength analysis

A FORTRAN program, consistent with the commercially available finite element (FE) code ABAQUS, is developed based on a three-dimensional (3D) linear elastic brittle damage constitutive model with two damage criteria. To consider the heterogeneity of rock, the developed FORTRAN program is used to set the stiffness and strength properties of each element of the FE model following a Weibull distribution function. The reliability of the program is assessed against available experimental results for granite cylindrical specimens with a throughgoing, flat and inclined fissure. The calibration procedure of the material parameters is explained in detail, and it is shown that the compressive to tensile strength ratio can have a substantial influence on the failure response of the specimens. Numerical simulations are conducted for models with different levels of heterogeneity. The results show a smaller load bearing capacity for models with less homogeneity, representing gradual coalescence of fully damaged elements forming throughout the models during loading. The maximum load bearing capacity is studied for various combinations of inclination angles of two centrally aligned, throughgoing and flat fissures of equal length embedded in cylindrical models under uniaxial and multiaxial loading conditions. The key role of the compressive to tensile strength ratio is highlighted by repeating certain simulations with a lower compressive to tensile strength ratio. It is proven that the peak loads of the rock models with sufficiently small compressive to tensile strength ratios containing two throughgoing fissures of equal length are similar, provided that the minimum inclination angles of the models are the same. The results are presented and discussed with respect to the existing experimental findings in the literature, suggesting that the numerical model applied in this study can provide useful insight into the failure behaviour of rock-like materials.     

弹性模量对岩样破坏前兆及全部变形特征的影响

利用FLAC内嵌语言编制的计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数,计算了弹性模量不同时单缺陷岩样的全部变形特征,研究了弹性模量对岩样的破坏过程及前兆的影响。在峰前及峰后,岩石的本构模型分别取为线弹性模型及莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。当弹性模量不是较高时,岩样自始至终仅出现一条倾斜的剪切带。当弹模较高时,最终剪切应变仅强烈集中于贯通岩样的剪切带内部。剪切带倾角在Arthur与Coulomb倾角之间,且随弹模的增加而降低,经典理论对此不能解释。随着弹模的增加,峰值应力增加,峰前的应力-轴向应变曲线变得陡峭,峰后的应力-轴向应变曲线的斜率几乎不变。随着弹模的增加,峰值强度所对应的轴向应变及侧向应变的大小均降低;应力-侧向应变曲线软化段变得陡峭。随着弹模的降低,侧向应变-轴向应变曲线、泊松比-轴向应变曲线及体积应变-轴向应变曲线在峰前发生转折（偏离线性状态）的程度越来越大;非弹性轴向应变增加;材料缺陷附近的最大剪切应变增量增加。岩样破坏的前兆随着弹性模量的降低而逐渐增强。     

煤渣改良土的抗冻能力及损伤特性研究

为研究煤渣改良土作为季节冻土区路基填料的抗冻能力,以不同煤渣掺量及不同养护龄期下的煤渣改良土为研究对象,利用GDS三轴试验系统开展了不同冻融次数下改良土的三轴压缩试验,获得了最佳的煤渣掺量及养护时间数据,提出冻融及加载综合影响下改良土的总损伤变量,并据此建立了损伤本构关系。结果表明：改良土的抗冻能力随着煤渣掺入量的增大出现先增强后减弱的变化趋势,随龄期的增长而逐渐增强。冻融循环对改良土物理力学性质的影响主要集中在前5次循环过程,超过5次后影响逐渐减弱。冻融加载总损伤变量能够较好地反映冻融及加载过程中改良土性质的劣化,据此建立的损伤本构关系具有一定的精度,可以为季节冻土区煤渣改良土路基工程提供参考。     

Random field characterization of uniaxial compressive strength and elastic modulus for intact rocks

Rock properties exhibit spatial variabilities due to complex geological processes such as sedimentation,metamorphism, weathering, and tectogenesis. Although recognized as an important factor controlling the safety of geotechnical structures in rock engineering, the spatial variability of rock properties is rarely quantified. Hence, this study characterizes the autocorrelation structures and scales of fluctuation of two important parameters of intact rocks, i.e. uniaxial compressive strength(UCS) and elastic modulus(EM).UCS and EM data for sedimentary and igneous rocks are collected. The autocorrelation structures are selected using a Bayesian model class selection approach and the scales of fluctuation for these two parameters are estimated using a Bayesian updating method. The results show that the autocorrelation structures for UCS and EM could be best described by a single exponential autocorrelation function. The scales of fluctuation for UCS and EM respectively range from 0.3 m to 8.0 m and from 0.3 m to 8.4 m.These results serve as guidelines for selecting proper autocorrelation functions and autocorrelation distances for rock properties in reliability analyses and could also be used as prior information for quantifying the spatial variability of rock properties in a Bayesian framework.     

基于统计本构关系的岩体弹性模量特征及影响因素分析

结构面是影响岩体弹性模量的主要因素。基于岩体结构面参数统计,结合岩体应变能推导出的节理岩体本构关系,能够真实地反映岩体弹性模量的弱化和各向异性。在此基础上,以吉图珲铁路隧道围岩为例,研究了岩体弹性模量特征及影响因素。结果表明,该岩体弹性模量的弱化和各向异性程度随应力轴线与结构面法线的夹角而变化,并在夹角值为54.5°时达到最大;同时,岩体弹性模量的弱化与结构面内摩擦角和黏聚力成反相关,与结构面平均半径和密度呈正相关。当结构面半径超过3 m时,岩体弹性模量弱化趋于稳定。应力环境对弹性模量同样有影响,围压的增大,可使岩体弹性模量增大,同时减小了其各向异性和弱化的程度。当围压达到2.32 MPa时,各向异性及弱化现象消失。     

弹性模量、波速与应力的关系及其应用

为充分了解不同尺度地质系统的岩石动力学特征,更好利用不同规模勘探资料有效解释地质系统的特征,在岩石物理实验对岩石弹性模量、波速与应力的关系进行研究总结的基础上,探讨野外实际地震勘探中地震波速与地应力的关系。研究表明,岩石、岩体或地质系统是多相(固液气)、多种矿物、各种构造的综合体,不论尺度如何均可以用多重介质孔隙裂隙地质模型描述,而波速是一定尺度不均匀地质体的等效波速,在一定地质条件下,各种尺度介质波速、岩石弹性模量与有效应力存在依存关系。坚硬的岩石通常很脆,如果岩石处于很大的应力之下,应力的释放将在岩石中产生微裂隙,微裂隙会降低地震速度。只要把岩石恢复到原来的应力状态就可能消除所引发的微裂隙。在岩体未达到破坏时,应力越大,波速愈高。压力释放引发的微裂隙有助于现场确定最大/最小水平应力方向,波速的椭圆长轴即为主应力方向。而上覆地层压力不变(或变化很小),净储层压力的影响正好与储层压力对地震特性的影响相反。随着净储层压力的增加,所有岩石的地震特性都增高。这种增高的量级取决于若干其它的因素(孔隙形状、孔隙度、孔隙流体、岩性等等)。不论野外地震勘探还是实验研究,地震波速与地应力的一致性为地质系统的正反演解释提供了宏观控制依据:通过测量弄清     

Crack damage stress as a composite function of porosity and elastic matrix stiffness in dolomites and limestones

Twenty-five uniaxial compression tests were performed to determine stress at onset of dilation, referred to herein as “the crack damage stress,” in heterogeneous dolomites and limestones. A simplified model for crack damage stress (σ_cd) is developed here using porosity, elastic modulus, Poisson's ratio and three empirical coefficients. The model shows that when porosity decreases and elastic modulus increases, σ_cd rapidly increases and approaches its maximum value. On the other hand, when porosity increases and elastic modulus decreases, σ_cd rapidly decreases and approaches its minimum value. The proposed model is validated for six heterogeneous limestone and dolomite formations which are widely distributed in Israel.     

渗流诱发套损机制与数值计算

油田套损是石油工程中的一大技术难题,多年来困扰着各油田。大量的现场调查和理论分析表明,油田套损与油藏渗流场动态变化密切相关。无论是剪切套损、拉伸套损还是挤压套损,都是渗流引起应力场调整,最终导致套管受力损伤。基于油藏流固耦合理论,分析了油田渗流诱发套损的机制,建立了油藏渗流-应力耦合计算的数学模型,并介绍了利用流固耦合进行套损预测计算的算例,对于套损防控具有重要的理论指导意义。     

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。     

不同充填度岩石分形节理抗剪强度的数值模拟

在对岩石节理进行分形模拟的基础上,建立了岩石分形充填节理直剪试验数值分析模型,采用数值模拟方法,研究了充填度与岩石分形充填节理抗剪强度之间的关系。结果表明,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度总体上呈非线性减小。当充填度小于1时,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度迅速减小,节理抗剪强度受节理表面形态、充填物力学性质以及壁岩力学性质的共同影响;当充填度大于1时,节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制,强度参数接近于节理充填物的强度参数。     

Parameter identification method for determination of elastic modulus of rock based on adjoint equation and blasting wave measurements

The purpose of this paper is to present a parameter identification method to determine the force of a blast and the elastic modulus of the ground using the measurements of a dynamic elastic wave, the adjoint equation method of optimal control theory, and the finite element method. Before the excavation of rocky ground, it is important to estimate the ground properties. In this paper, the elastic modulus is determined as the performance function is minimized using a technique based on the first‐order adjoint method. The performance function is a square sum of the discrepancies between the computed and the observed values of the velocities. After the determination of the magnitude of the blasting force, we can determine the elastic modulus of the rock. As the basic equation to calculate the velocities of dynamic elastic body, elastic equilibrium equations with linear viscosity are employed. The adjoint equation method has been utilized in order to calculate the gradient of the performance function with respect to the parameters. The gradient of the performance function is calculated using the first‐order adjoint equation. The weighted gradient method is applied for minimization. In order to solve the state equations in space and time, the finite element method and the Newmark $\frac{1}{4}$ method are used. In this paper, we tested the practical application of our proposed method for determination of the elastic modulus of rock at the Ikawa tunnel located in the Tokushima prefecture, Japan. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

利用岩石结构面网络模拟计算岩体带宽连通率及岩体强度参数

岩体中存在的结构面对岩体的力学特性有很大的影响，研究岩体的强度参数，必须弄清结构面在岩体中的分布情况，了解结构面对岩体强度的影响程度。岩体结构面的研究起初是靠人工进行现场测量，不仅耗费人力物力，而且获取的数据代表性不强，还略显粗糙。在计算机应用飞速发展的背景下，利用计算机进行结构面网络模拟的方法浮出水面，并成为现在国内外研究结构面的主要方法之一。此方法在众多的科学研究以及工程建筑领域得到了应用，并在应用之中得到了不断的完善和发展，取得了一定的成果。文章在对计算机结构面网络模拟原理分析的基础上，主要讨论了利用结构面网络模拟计算岩体连通率和岩体强度的方法，其中着重研究了带宽投影法的原理及带宽连通率的计算过程，介绍了利用带宽连通率计算岩体强度参数的方法。利用西北某水电站实际研究中应用此方法的工程实例对成果做了评价，成果与实际情况大体相符。对结构面网络模拟方法做了综合评价：简单易行，省时省力，效果良好。