隧道变形失稳的能量演化模型与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用耗散结构理论,分析了隧道变形失稳的能量耗散过程与演化特征;结合热力学基本定律,研究了整个隧道系统的能量耗散机制,建立了隧道变形失稳的能量演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量（≥3 000）与小数据量（<3 000）条件下稳定性演化过程的能量判别准则;根据隧道系统变形失稳演化各阶段特征,提出了其失稳破坏的能量判据。将研究成果应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析,验证了该能量演化模型与判据的合理可靠性,其结果对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。     

近水平地层滑坡平面失稳模型与破坏判据研究

将近水平地层滑坡视为一个系统,针对其平面失稳问题,在建立力学模型的基础上,运用势函数突变模型,从理论上推导了滑坡系统失稳的力学破坏判据和滑带土的临界变形位移。根据近水平地层滑坡演化系统,结合万州区安乐寺滑坡实例,运用所推导出的滑带土临界变形位移公式,得出临界位移约为34mm,并同时提出系统和临界突变状态的差距与外界环境因素——滑坡后缘裂隙积水深度、滑带土含水量的关系,即当滑坡后缘裂隙积水深度和滑带土含水量越大时,系统与临界突变状态的差距越小,滑坡越容易滑动。     

隧道变形失稳过程的非线性动力学分析与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用协同学与混沌动力学,分析了隧道变形失稳过程的非线性动力学演化特征,并将其划分为平衡、非平衡线性、非平衡非线性等3个演化阶段;从系统分析的角度,研究了整个隧道系统的涨落关联机制,建立了隧道变形失稳的动力学演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量（≥3 000）与小数据量（ 3 000）条件下稳定性演化过程的动力学判别准则。结合隧道变形失稳的阶段性特征,建立了其破坏的混沌动力学判据。将以上研究应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析中,验证了该动力学演化模型与判据的合理可靠性,对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。     

岩石变形破坏的熵突变过程与破坏判据

在岩石的变形破坏过程中,当进入不稳定的破裂发展阶段之后,系统不断调整结构抵抗外力的扰动,裂纹向局域集中的有序方向发展,应变能不断耗散,并以应变能的耗散为媒介,使系统与外扰动所追加的负熵流产生能量流通,也使系统熵值和系统的维数逐次降低,这一阶段岩石系统远离平衡态,岩石的破坏是系统熵的突变过程。基于这一认识,并在验证应变能分布与结构块度分布模式的一致性的基础上,推导出包含了结构因素和能量分布的熵表达式;对熵表达式进行平衡分析获得局部突变的分岔集,得到了岩石局部破坏的熵折迭突变破坏准则;同时,探讨了熵表达式所表征的结构有序度的尖点突变性,解出岩石系统的分岔集,这个分岔集就是岩石系统熵突变的整体破坏准则。     

狭窄煤柱冲击地压失稳的突变理论分析

本文用突变理论研究了狭窄煤柱冲地压失稳过程的机制。导出了失稳的充要力学条件判据及突变时煤柱的突跳量与释放能量的简单表达式，提出了刚度效应－扰动触发响应失稳新理论。本文的讨论，从整体上深化了对部地压失稳机制的认识。     

Hoek-Brown岩石破坏经验判据确定岩石地基承载力的修正

岩石地基承载力的精确确定,对工程的安全性和经济性非常重要。简要介绍了Hoek-Brown岩石经验破坏判据及其剪切强度形式,并通过确定岩基潜在破坏面上的正应力,计算出岩体自重和岩体瞬时内摩擦角。对基于Hoek-Brown岩石经验破坏判据的岩基承载力的极限解法进行修正,得出剪切破坏模式下含有岩体自重和瞬时内摩擦角的Hoek-Brown岩基承载力修正公式。最后,通过算例证明修正公式的完善性和实用性。     

地壳岩石半脆性非均匀蠕变破坏-失稳的判别

本文通过分析地壳半脆性域岩石蠕变破坏-失稳的复杂性,提出应该建立能够判别地壳岩石半脆性蠕变破坏-失稳基本规律的准则,以便尽可能准确地预测地壳半脆性域岩石蠕变破坏-失稳的类型及其与温度压力等环境条件的关系。     

冲击荷载作用下岩石破坏机理预测

将岩石看作由彼此之间有内摩擦的颗粒团组成。利用力学模型分析了在冲击荷载作用下岩石破坏过程,阐述了岩石破坏后的力学行为。认为冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态。冲击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲击波的短波,在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生参数的急剧变化。根据岩石介质中粒子运动速度的强弱应力状态发生由弹性状态向内摩擦状态的转变,最终达到流体力学状态。     

岩石损伤断裂的沙堆元胞自动机模拟

在岩石材料的加载过程中,当荷载超过某一临界值时,岩石的变形从稳定变形阶段突变为不稳定变形阶段,即使是保持荷载不变,破裂也会继续发展,表现为“雪崩”式的破坏过程。基于自组织临界性理论及沙堆元胞自动机模型,对岩石失稳破坏过程中的损伤演化、裂纹扩展规律进行了探讨,从新的角度研究了岩石失稳破坏的细观演化规律。     

岩石断裂破坏的机理研究

由于岩体中岩石通常处于宏观压应力状态,因此人们常认为岩石的破坏为剪切破坏。根据我们的研究,对于岩石的断裂破坏,其本质应归为微裂缝的拉张破坏。     

渗透破坏情况下土坡失稳的模糊概率

探讨了渗透破坏情况下土坡失稳的模糊概率的计算方法，工程实例分析表明，该方法优于其他传统的方法。     

岩石断裂破坏的机理研究

由于岩体中岩石通常处于宏观压应力状态，因此人们常认为岩石的破坏为剪切破坏。根据我们的研究，对于岩石的断裂破坏，其本质应归为微裂缝的拉张破坏。     

模拟岩石破裂过程的块体单元离散弹簧模型

在变形体离散元的基础上建立块体单元离散弹簧模型,并应用于岩石破裂过程的数值模拟研究。该模型以连续介质力学理论为基础,将块体单元离散为具有明确物理意义的弹簧系统,通过对弹簧系统的能量泛函求变分获得各弹簧的刚度系数,进而可以直接利用弹簧刚度求解单元的变形和应力,提高计算效率。以重力作用下的岩质边坡计算为例,通过与传统的有限元进行对比,验证该模型弹性计算结果的正确性。在该基础上,引入Mohr-Coulomb与最大拉应力的复合破坏准则,判断单元的破坏状态及破裂方向。当单元的内部破坏面确定后,则通过块体切割的方式实现单元破坏,并建立单元边界和单元内部的双重破裂机制,实现块体由连续到非连续的破裂过程,进而显示的模拟裂纹的形成和扩展。最后,以巴西圆盘劈裂、单轴压缩破裂以及三点弯曲梁等典型算例验证该方法,结果表明该方法可以较好地模拟拉伸、压剪等应力状态下裂纹的形成和扩展,从而可模拟岩石介质由连续到非连续的破裂过程。     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

饱和岩石剪切失稳后效分析

剪切载荷下的饱和岩石,在初始阶段出现几条细的剪切带,最后均形成一条剪切带。为了分析这个现象,将饱和岩石中剪切带的发展分为多阶段的过程进行分析,针对几个有限幅值扰动下剪切带的演化进行研究,获得了剪切带从几个小的非均匀扰动演化为最后充分发展的剪切带的详细过程。结果表明,剪切带的发展由两个阶段组成：非均匀剪切过程和实际剪切带发展过程。     

基于岩石长期稳定性的工程寿命预估研究

为了从岩石蠕变特性的角度对岩石工程的时效作用进行理论研究,通过对改进的西原蠕变模型进行理论分析,模拟微分方程数值曲线,从而得出与时间相关的蠕变加速度失稳判据;结合蠕变模型第三阶段的非线性特性,采用趋近系数对蠕变稳定阶段进行预测,对于非衰减蠕变破坏,通过破坏倾斜角进行预估。揭示了岩石第三阶段蠕变失稳的机理和规律,为预测岩石工程的失稳破坏及其寿命预估提供新的理论依据。     

刚性桩加固软土路基失稳破坏数值模拟

为控制路堤的整体稳定性,刚性桩现已常用于软土路基的加固。本文引入了桩体的断开机制,采用有限元软件ABAQUS对刚性桩加固软土路基的失稳破坏模式进行分析,相较于传统的数值模拟方法,体现了路堤荷载作用下,刚性桩的渐次失稳破坏过程。在此基础上,考虑桩体可能优先发生的弯曲破坏,提出将临界比例n作为判断桩体优先发生剪切破坏或弯曲破坏的临界值,并将其作为本文桩体断开机制的终止判别条件,合理地规避了数值模拟软件定量计算存在的较大误差。最后,将本文数值模拟与传统的数值模拟、等效砂桩法的数值模拟进行对比,结果反应出本文数值模拟方法的合理性与可靠性,工程上可通过增大前排桩的抗弯强度或限制桩体的水平位移,提高路堤的整体稳定性。     

岩石破坏的机理再认识

岩石的各种强度准则一直是解释岩石或岩体破坏机理的主要理论。此外,从流变现象出发,通过数值模拟、实验对照、理论分析、进一步对岩石破坏机理的解释进行了探讨,认为受力岩石或岩体内差异流动变形也是导致岩石破坏的原因。     

岩石受热后的强度,变形破坏特性的微观研究

本文对砂岩、灰岩、大理岩在不同温度条件下的单轴抗压强度进行了实验研究,并对岩石在各种温度下结构变化进行了镜下分析,探讨了岩石受热后的破裂机理,定性定量地分析了岩石裂纹随温度变化而发展的规律。研究和分析结果表明:在热应力和外应力的作用下,随着温度增加,砂岩单轴抗压强度有增加的趋势,而灰岩、大理石的强度则有所降低。温度对这几种岩石的变形和破坏特性也有很大影响。