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。     

岩石破裂过程的自组织临界特征初探

自组织临界状态。是广延耗散动力学系统所普遍具有的行为特征。实验表明，岩石破裂过程也具有自组织临界特征。本文运用数学－力学分析和计算机模拟等手段。研究了岩石破裂过程中所现出的累进性破坏及无序向有序演化等特征的内在机理，从而加深了岩石破裂失稳定过程机制的认识。     

沉积盆地异常超压与岩石破裂耦合动力学模型综述

在回顾沉积盆地异常超压成因机制模型基础之上，讨论了构筑其模型的基本要素：封盖（层）的渗透率和化学增压的耦合，并通过动力学分析给出了异常超压与岩石破裂的耦合过程引起压力封礅箱内破裂一泄压－愈合－增压作用的动力学状态判据。     

中主应力对硬岩破裂机制的影响

采用数值方法模拟硬岩的三轴压缩试验,应用4个本构模型,即Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、应变软化模型及考虑变形模量劣化的应变软化模型,研究中主应力对均质及非均质硬岩破裂机制的影响。结果表明：不论是均质还是非均质岩体,中主应力对采用Drucker-Prager模型的岩体强度影响较大,而对采用其他本构模型的岩体强度影响不大;当非均质岩体采用Mohr-Coulomb模型或Drucker-Prager模型时,中主应力对岩体破坏过程影响不大,但对其破坏模式有较大影响;当非均质岩体采用应变软化模型时,中主应力对岩体破坏过程及其模式均有较大影响。针对工程算例,采用不同的本构模型获得的均质或非均质岩体强度相差很大,除Drucker-Prager模型外,同一本构模型的均质岩体强度远大于非均质岩体。实际工程岩体对中主应力的响应是不同的,故在地下结构设计过程中应根据岩体特性选择合理的本构模型以保证工程安全。     

脆性岩石破裂演化过程的三维细胞自动机模拟

在三维条件下定义了实体细胞自动机的基本组件,综合运用弹塑性理论、细胞自动机自组织演化理论、统计原理以及岩石力学理论等,建立了模拟岩石三维破裂过程的张量型细胞自动机模型,并开发了相应的数值模拟软件EPCA3D。利用EPCA3D对脆性岩石进行单轴压缩破裂过程模拟,通过破裂模式、岩样内部破裂情况、全应力-应变曲线和声发射曲线等的分析,揭示岩石破裂的机制。结果表明,EPCA3D能够较好地模拟非均质岩石在载荷作用下微裂纹的萌生、扩展和贯通的全过程。利用该模拟系统,采用应力-应变线性组合的加载控制方式,研究了不同围压对岩石全应力-应变曲线的影响。研究结果表明：对于脆性非均质岩石,低围压下容易表现为II类行为,且强度较低;高围压下容易表现为I类变形行为,且强度较高。     

岩石破裂过程TMD耦合数值模型研究

从岩石的细观结构层次出发,应用损伤力学和热弹性理论,对热力耦合作用下岩石破裂过程中热-应力-损伤相互作用关系进行了分析。初步建立了细观热-应力-损伤（TMD model,thermal-mechanical-damage）耦合数值模型,并在岩石破裂过程分析系统RFPA2D中加实现。运用该数值模型计算模拟均匀与非均匀材料试样在热力耦合作用下的应力分布及破坏形 态,通过与理论及试验结果对比,证明了该数值模型的合理性和有效性。     

花岗岩破裂过程声发射关键信号时频特征试验研究

开展花岗岩单轴压缩试验,利用决策树模型,构建岩石破裂过程关键声发射信号的提取方法,并通过选取特征参数将提取的关键信号分类,分析各类关键声发射信号的时频参数特征,进一步探讨各类信号所对应的岩石破裂机制。研究结果表明,基于决策树模型建立的岩石破裂关键声发射信号提取方法,能够有效提取岩石破裂过程中影响整体结构稳定性的关键破裂事件对应的声发射信号,准确率在90%以上。根据关键信号特征提取规则将信号分成A、B、C、D 4类,A类信号对应岩石在宏观破裂时产生的开裂、扩展型破裂;B类信号为岩石临近破裂与峰后阶段出现的大量小尺度开裂、扩展型破裂;C类信号对应岩石宏观破裂前产生的剪切滑移型破裂;D类信号对应岩石整体破坏后产生的小尺度张剪复合型破裂。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

峰值破裂岩石的气体渗透性试验研究

为了测试采矿工程中峰值破裂岩体的气体渗透特性,设计了与气体渗透系统相配套的气体渗透仪。对淮南顾桥矿采集的标高?653～?771 m的煤系岩石制成的标准岩样,先利用MTS815系统加压至峰值强度,而后测试其气体渗透性能。理论分析了一维非Darcy渗流过程及该情况下的渗透率求解方法。试验结果表明,即使位于深部,岩石破裂后的渗透率也比完整时大103～106个数量级,同时,破裂砂岩的渗透率要比同标高的破裂泥岩高。     

基于应变能密度理论的岩石破裂数值模拟方法研究

采用双线性应变软化本构模型结合能量耗散原理建立了损伤本构方程,并通过应变能密度理论建立了细观单元岩石破坏的能量判别准则。当某一单元所存储的应变能超过某固定值时,单元进入损伤状态,同时单元的损伤程度随着能量耗散的增加而增加,损伤单元的材料属性也随之改变,直到变为具有一定残余强度的单元。随着荷载增加,单元损伤的程度变大,当单元储存的应变能超过所建立的能量判别准则时,定义单元破坏,随着破坏单元的数目不断增多,破坏单元相互连通形成宏观裂纹,实现了利用线性计算完成非线性计算的过程,避免了数值计算在单元断裂时的奇异性,模拟了岩石的峰后破裂行为。对上述算法利用FLAC中的FISH语言开发了岩石破裂化计算程序,并将该程序成功应用于巴西劈裂和中间裂隙拉伸试验的破裂模拟过程中,其模拟结果与相应的理论和试验结果吻合较好,说明该方法对于模拟岩石破裂过程的正确性和可行性。     

岩石破裂过程中电磁辐射信号特征研究

为了探索震前电磁异常现象的物理机制,许多研究注重于分析岩石破裂过程中产生的电磁辐射信号。对花岗岩样品进行单轴加载,变形直至破裂,记录整个过程中产生的电磁辐射(EME)和声发射(AE)信号,对比分析。这里主要从两个方面分析岩石破裂过程中EME信号的特征:①利用非广延分析方法分析EME的能量分布情况,并与b值分析方法对比,推断岩石破裂类型以及裂纹发育过程;②利用统一等待时间定标律分析EME的时间特征,期望获得岩石破裂过程中EME信号等待时间的分布规律。结果表明,在拟合AE和EME信号的能量分布曲线时,发现b值只能拟合AE部分数据,完全不能拟合EME数据,而非广延参数q可以很好地拟合这两类信号。通过对比分析AE和EME信号的等待时间概率密度的分布情况,发现EME信号的集成效果相对较差,可能不满足统一等待时间定标律。     

岩石脆性破裂断口的分形特征

系统总结了岩石脆性破裂断口分维的计算方法及其局限性,指出岩石脆性破裂断口的分形研究应在宏观和微观层次上进行,同时应注重考察断口分维参数的物理意义。断口结构特征是岩石动态破裂过程的静态反映,蕴含着岩石断裂机制的各种信息,分维可作为断口定量描述的参数。     

非均质随机分布对岩石热破裂影响的数值试验

采用随机固热耦合数学模型及有限元分析方法,仅将热膨胀系数和热传导系数作为随机变量,在正态和韦泊两种随机分布下,采用平面应变模型,对热应力引起的岩石热破裂的变化进行了详细研究,模拟了岩石热破裂的整个过程,揭示了概率分布形式、分布参数m对岩石热破裂的影响,讨论了岩石热破裂与时间t的关系,温度与参数m的关系,温度与时间的变化规律,并研究了热破裂率随时间和温度的变化规律。     

典型岩石破裂产生次声波试验研究

在刚性材料试验压力机上对花岗岩、灰岩、红砂岩、砂岩、千枚岩及泥岩6种典型的岩石试样进行了单轴全过程加载试验,通过自主研制的数字化次声波探测系统对加载过程中的岩石破裂发射出的次声波信号进行了实时探测。为了研究岩石微破裂过程是否存在发射低频次声波现象及其频率分布等特性,通过小波阈值去噪、短时傅立叶变换（STFT）时-频分析和时域累计振铃计数的方法对数字次声波信号进行了处理与分析。研究结果表明：①岩石在破坏前加载过程中存在明显的发射次声波现象;②岩石破裂产生突出次声信号的频率主要分布在2.0～6.0 Hz之间;③在结构较完整的情况下,硬岩（如花岗岩、灰岩）在变形破裂过程中产生的次声信号数量要比软岩（如泥岩）多。与一般声波相比,因次声波具有不容易衰减,不易被水和空气吸收,波长很长可绕开大型障碍物等独特性质,结合其他方法对岩石破裂产生次声波现象的进一步研究可为岩石（体）稳定性监测提供重要的研究方法和技术手段。     

深部围岩非规则破裂化的温度效应分析

利用FLAC3D中应变软化模型和温度模式建立数值计算模型,考虑初始地应力中温度热应力的修正并以函数的形式嵌入,讨论了非规则破裂化现象中应力及塑性区的特征。考虑地层温度和岩体热力学参数对深部围岩非规则破裂化的影响,分析围岩最大最小应力及塑性区特征。数值分析表明:FLAC3D塑性区图中呈现明显的非规则破裂化现象,而且随着地层温度升高和线膨胀系数增大,深部围岩非规则破裂化趋于严重;线膨胀系数大的围岩受温度影响较大。比热容和导热系数对深部围岩非规则破裂化影响微弱。得到了震荡的最大最小主应力曲线,最大剪应力与塑性区呈现出与最大剪应力理论相似却又不同的关系,即非规则破裂塑性区外边界和最大剪应力曲线的主峰值存在对应关系,但最大剪应力曲线主峰值相对于塑性区外边界存在滞后性。     

脆—韧性变形时空转换区段的岩石构造破裂流体流动和矿质聚集机制综述

在概述脆－韧性变形时空转换的过程，成生机制，影响因素和时空结构的基础上，着重论述了变形转换过程中岩石破裂的形成机理，水动力学条件，以及构造破裂与流体流动，矿质聚集间关系，总结了与变形转换有关的两类成因不同的剪切带型金矿床的产出特征和形成条件。     

岩石破裂行为的实验研究

岩样的破裂行为、破坏过程和参数测试是裂隙断裂构造研究的基础和依据。实验岩石样品采自四川东部和新疆北部地区,为测试准确起见,对岩样进行了应力等值线的有限元法计算。通过单轴和三轴实验的岩样破坏观察和应力应变曲线对比,将岩石的破裂行为、应力应变划分为四个阶段,即裂隙压密阶段、弹性变形阶段、微观劈裂阶段和宏观破裂阶段。基于单轴抗压实验岩石劈裂—破裂—碎裂发展过程的微观分析,可以看出宏观破裂主要是沿岩样原有的隐裂隙、临界裂隙发育的,许多新裂隙则主要是在宏观破裂阶段产生的。     

深部巷道围岩分区破裂的非线性连续相变模型研究

深部巷道围岩中会形成分区破裂现象。围岩分区破裂的形成过程可以看作是围岩内部结构的连续相变过程,因此,连续相变模型可以描述分区破裂的主要特征。基于文献[15-16]中利用连续相变理论,结合经典弹塑性理论建立了围岩分区破裂的非线性相变模型。运用相平面分析法研究了非线性连续相变模型方程的解的性质,得到了非线性解的3种形式。用数值方法求解了非线性连续相变模型方程,并与线性相变模型的解进行了比较,展示了非线性模型能够更好地描述围岩变形的空间分布。最后分析了非线性模型方程中各系数对方程解的影响及其物理意义,其研究结果对于应用非线性连续相变模型模拟分区破裂具有指导意义。     

基于厚壁筒三维解析模型的深部洞室围岩分区破裂化机制研究

为研究深部洞室围岩的分区破裂化机制,建立了厚壁筒三维线弹性解析模型。逐步减小厚壁筒均布内压,模拟洞室静力开挖。逐步增加厚壁筒轴向均布压力,模拟洞室开挖导致洞室轴向应力集中。逐步增加厚壁筒外周非均布压力系数,模拟洞室开挖导致洞室水平应力的重分布和集中效应。根据弹性力学知识和边界条件,确定洞室开挖引起的弹性应力场、应变场及位移场。从拉压域、应变梯度及径向压拉蓄能等3个方面入手,分别研究了内压静力卸荷、水平应力重分布、围压均匀部分及轴压对深部洞室围岩分区破裂的作用机制。结果表明：径向弹性拉伸能和径向弹性压缩能的相对变化反映了围岩能量释放速率和释放量。水平应力重分布和轴压是围岩出现分区破裂现象的主要因素,但两者作用机制不同。该模型可为研究高地应力深部洞室围岩破坏提供一个较统一的理论工具,也为深部工程设计提供了理论依据。     

基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨

层状岩体的非均质性及各向异性导致其破裂方式及规律与均质岩体有显著不同。对层状岩体分别进行不同方式的单轴、双轴、三轴试验, 分析应力-应变曲线特征; 再利用ANSYS有限元软件进行数值模拟, 观察应力、应变在岩体上的分布, 通过曲线和图件的对比分析, 并结合岩石破裂理论, 总结不同应力状态下层状岩体的破裂方式、顺序及规律; 最后以富台地区为例, 对分析结果进行验证。研究结果表明, 不同受力方式对层状岩体破裂的影响体现在施加的载荷及约束与层面的方位。当应力方向与岩层面平行时, 强度大的石灰岩岩体发生集中应力, 首先破裂; 而应力与岩层面垂直时, 强度小的泥岩岩体首先破裂。岩石试验、数值模拟结果以及实例均成功验证了这个规律。