压剪应力作用下多裂隙岩体的力学特性：本构模型

本文从贝蒂(Betti)定理出发,考虑裂隙在压剪应力作用下的闭合效应,推导出有序多裂隙岩体的本构方程,同时采用数学弹性力学的方法,精确推导出传压系数的理论公式,并对传剪系数加以分析。     

冻结条件下平行双裂隙岩体力学特性试验研究

裂隙是影响工程岩体稳定的重要因素,而平行双裂隙是一种重要的裂隙分布形式,基于已有的研究成果,开展一系列平行双裂隙类岩石三轴压缩试验,研究裂隙产状对平行双裂隙岩体力学性质和破坏形态的影响。试验结果表明:平行双裂隙岩体强度、弹性模量和泊松比受迹长和迹长比共同影响,受裂隙间距影响较小,随倾角增大,先减小后增大;倾角30°时,破裂面起始于裂隙端部贯穿岩桥,并沿最大主应力方向发展,倾角在30°~60°之间时,沿其中一条裂隙剪切破坏。迹长和迹长比较小时(贯通率25%,迹长比2.5),破坏形态与裂隙无关;迹长较大(贯通率75%),迹长比较小时(迹长比1),破坏形态取决于长裂隙;迹长介于两者之间时(贯通率25%~75%),迹长比接近1时,受两条裂隙共同影响。     

拉剪应力状态下岩体裂隙扩展的断裂力学机制及物理模型试验

开挖卸荷岩体裂隙面通常处于拉剪应力状态。在裂隙应力和变形状态分析的基础上,采用线弹性断裂力学理论和物理模型试验研究了拉剪应力状态下裂隙扩展的力学机制。岩体裂隙在拉剪应力状态下沿裂隙面间的滑动抗剪摩擦力消失,裂隙起裂沿Ⅰ型张拉裂隙断裂韧度KⅠ最小的方向起裂,并最终发展与卸荷拉应力方向垂直;拉剪应力状态下岩体的总位移方向平行于拉应力方向,通过合理的位移假设,基于能量及线弹性断裂力学理论,求解了拉剪应力状态下分支裂隙扩展过程中尖端的动态应力强度因子和扩展长度判据;通过拉剪应力状态下单裂隙扩展物理模型试验验证了理论推导的正确性。     

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。     

冻结饱水单裂隙岩体力学特性试验研究

通过相似单裂隙岩体冻结三轴试验,研究裂隙倾角、迹长、隙宽、围压和温度对单裂隙岩体力学特性的影响,试验结果表明：裂隙岩体力学参数与倾角呈二次函数分布,与迹长呈指数函数分布,通过拟合式（3）可近似计算岩体强度;岩体强度与围压呈线性分布,负温条件下泊松比和弹性模量受围压影响较小;隙宽小于0.1 mm或大于0.8 mm时,岩体强度随隙宽增大而减小,隙宽在0.1～0.8 mm之间时,岩体力学参数几乎不受隙宽影响;岩体强度随温度降低而增大的作用机制是岩体孔隙水和裂隙水冻结成冰,增大了颗粒间的凝聚力和摩擦角;裂隙倾角影响破裂面的起始位置,迹长影响破裂面的扩展规模,围压影响破裂面的延伸方向;倾角对岩体强度影响最大,迹长次之,温度影响最小。     

冻融作用下含裂隙岩石力学特性及损伤演化规律试验研究

实际工程中冻融循环作用下裂隙岩体损伤较为严重,研究其力学特性及损伤演化规律具有极大的现实意义。鉴于此,本文采用类岩石材料模拟不同长度裂隙对岩石力学性质及冻融损伤劣化的影响,通过试验结果分析冻融过程中岩石的变形破坏现象、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线等在冻融循环作用与不同长度垂直裂隙相耦合作用下的变化规律,研究结果表明:岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大而不断降低趋势;试样在单轴压缩整个变形过程可以分为4个阶段:（1）孔隙裂隙压密阶段;（2）预制裂隙张开阶段;（3）主干裂隙扩展延伸阶段;（4）断裂破坏阶段。冻融作用对（1）、（3）阶段影响最为明显,冻融后（1）阶段明显增长,而（3）阶段中岩石伴随着主干裂隙扩展的次级裂隙明显减少;冻融后试样相对于冻融前破坏后更加松散破碎,伴随着大量岩粉、矿物颗粒的产生。而对于不同长度裂隙试样,随着裂隙长度增长,试样破碎程度提高,且破坏模式更为复杂。本研究成果可为冻融循环作用下裂隙岩体劣化损伤及断裂特性研究提供参考。     

裂隙岩体力学参数的弱化处理

合理确定含裂隙岩体力学参数是岩土工程设计和岩体数值分析的基础和关键,在众多裂隙岩体力学参数弱处理方法中,Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ准则表现出很好的适用性,尤其适用于深厚覆盖层以下的岩体。结合小浪底水利柜纽工程和镇江－扬州长江公路大桥对弱化方法予以介绍和探讨。     

张开穿透型单裂隙岩体三轴卸荷蠕变特性试验

高应力条件下较多岩体工程在开挖卸荷过程中表现出显著的时效变形特征。为研究裂隙岩体在卸荷状态下的蠕变特征,以锦屏I级水电站大理岩为原样制备模型试样,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：试件在破坏时对应应力差最小的是倾角为30°裂隙试样,其次为倾角为60°裂隙试样,倾角为90°裂隙试样最大。从破坏形式来看,完整试件与倾角为90°裂隙试件均呈整体剪切破坏模式,倾角为30°和60°裂隙试件均从裂纹尖端扩展至破坏。变形特征方面,均可采用Burgers模型对各裂隙试样不含加速蠕变阶段的蠕变曲线进行拟合,试样在不同裂隙类型和应力水平下的变形特点则通过参数数值加以区分。该结论与Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理中有关损伤材料和无损材料间相关关系的基本观点一致。基于此,提出了裂隙岩体损伤蠕变模型,该模型建立了完整岩石与裂隙岩体间的相关关系,对裂隙岩体时效变形特征的进一步研究具有较好的参考价值。     

多场耦合作用下岩体裂隙扩展演化关键问题研究

裂隙岩体热-水-应力（THM）耦合是目前研究的热点和难点。首先总结了裂隙岩体多场耦合的机制、模型、方法及研究内容,并通过分析裂隙对THM耦合的重要控制作用,提出了在THM耦合中考虑裂隙网络扩展演化及模拟的关键问题,同时指出了研究的3个关键点：（1）建立考虑裂隙网络演化的耦合模型;（2）裂隙扩展的数值模拟方法;（3）THM耦合及岩体变形、失稳全过程的数值模拟算法。随后通过对模拟多场耦合和裂隙扩展数值方法的归类比较,重点论述了目前适用于模拟多场耦合下裂隙扩展模拟的各种数值方法（包括有限单元法、无单元法、单位分解法、离散单元法、岩石破裂过程分析方法和数值流形方法）的优缺点,并通过对比研究,推荐采用数值流形方法（NMM）来实现对关键问题的模拟研究。最后,对研究思路和难点进行了初步探讨。     

冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀力演化试验研究

为探讨寒区裂隙岩体含冰裂隙在冻融循环作用下的冻胀力演化规律,进而揭示疲劳冻融对岩体结构劣化的影响机制,采用自行设计的8通道冻胀力实时监测系统开展了不同岩性、不同裂隙几何形态下的冻胀力测试试验,获取了多次冻融循环中冻胀力演化曲线,并分析了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化规律的影响。研究表明：(1)冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程,每个冻融循环的冻胀力演化过程都经过孕育阶段、暴发阶段、跌落回稳阶段、回升阶段和消散阶段,并且发现了冻胀力回升这一现象;初始冻胀力峰值可作为裂隙岩体抗冻融损伤指标;(2)在多次冻融循环作用下岩体裂隙冻胀力不断暴发、积聚和释放,期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展,引起岩体进一步的疲劳劣化;疲劳冻融作用下,初始冻胀力峰值与二次冻胀力峰值变化趋势可作为裂隙岩体受冻融影响损伤劣化程度的判断依据;(3)岩体结构特性影响冻胀力演化规律,岩体基质的微细观结构影响冻结过程中水分迁移;宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律,扩展程度越大的裂隙积聚出的冻胀力越大。疲劳冻融下冻胀力演化规律的研究可为寒区岩体工程长期冻融稳定性预测及工程建设提供理论依据。     

岩体损伤问题

从微观及宏观两方面对岩体损伤的意义及性质作了阐述,介绍了连续损伤力学中有关损伤变量的定义和量度,给出了韧性、脆性、疲劳与蠕变状态下的损伤演变方程。文内除了列举几种反映岩体软化及节理裂隙性质的损伤模型外,还介绍了细观与统计损伤模型。最后简要叙述了几种损伤测量方法,包括超声衰减技术、声发射以及现代光学技术。     

在卸荷产生拉剪情况下裂隙岩体的力学行为

据岩体在卸荷情况下的拉剪应力状态,确定了节理岩体的线弹性断裂力学模型。依照此模型,可以得到相对远离裂隙(该位置的点到裂隙中心的距离比裂缝长度大)且受裂隙影响区域内应力、应变和变形方程。这些对评估裂隙岩石变形有重要的参考意义。通过用理论方程的计算结果和卸荷情况下试验观测所得的数据对比,证明该模型应用于实际工程中具有可行性。     

分形几何用于岩石损伤扩展过程的研究

通过对岩石损伤扩展机理的研究，运用分形几何理论，建立了岩石损伤变量ω与分形维数之间关系。     

节理岩体损伤变量确定的分形方法

针对节理岩体损伤张量采用统计概率模型确定存在问题,首先建立了岩体结构分维与波速的关系方程,验证了采用分维数进行岩体质量评价的可行性,然后提出了采用室内岩块波速值与岩体结构分维确定节理岩体损伤变量的分形方法。     

岩体结构对含煤岩系变形的控制作用

含煤岩系变形规律的研究,对煤炭资源评价和开采、煤矿瓦斯灾害预测、煤层气的可开发性评价具有指导意义。基于含煤岩系的岩体结构是控制其变形的基础因素这一前提,以岩体力学和分形几何学基本理论为指导,提出取决于岩石杨氏模量和泊松比的岩体强度因子和取决于岩层厚度的分形维数两个参数,以断层发育的安阳双全井田、褶皱发育的沁水盆地煤层气开发区及滑动构造发育的荥巩谷山井田为例,系统探讨了岩体结构对含煤岩系变形的控制作用。研究表明,低强度因子和厚层岩层较多的分形维数低值区,含煤岩系以韧性变形为主,多形成褶皱,煤体变形程度深,为瓦斯灾害严重区和煤层气难以开发区;高强度因子和厚层岩层较少的分形维数高值区,含煤岩系以脆性变形为主,多发育断层,构造煤难以区域展布,只分布在断层附近。可见含煤岩系变形不仅与岩体强度有关,而且受岩层厚度的控制。统计层段内刚性岩层的存在增加了岩体强度,岩层复杂程度的增加同样提高了岩体强度。岩体力学和分形几何学的引入,为煤岩体变形行为和程度的描述和预测提供了一种新途径。     

岩体结构对岩石爆破效果的影响

分析了爆破冲击波的传播特点，指出了对岩石破坏最大的是拉伸应力波，并对岩体结构对岩石爆破效果的影响进行了探讨。     

藏北丁固地区变质岩分布特征及变质演化模式

在藏北丁固地区,变质岩广泛分布,主要为区域变质岩,少量接触变质岩、混合岩化变质岩及动力变质岩。变质类型、变质岩相及变质岩石组合的空间分布等,受地层时代、原岩性质、地质构造及中酸性侵入岩体等多重因素控制。本文初步建立其综合模式。     

拉伸荷载作用下岩石的细观损伤力学模型

本文建立了拉伸荷载作用下岩石的二维、轴对称和三维细观损伤力学的有效场模型，分析了岩石中的裂纹扩展过程，求得了损伤柔度的表达式，并给出了相应的算例，数值模拟结果与Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的计算结果以及实验结果进行了对比，结果表明Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的数值模拟结果与实验结果有较大的误差，而本文提出的数值模拟结果则与实验结果具有很好的一致性。     

岩体在加,卸荷条件下破坏效应的对比分析

在岩体加、卸荷试验研究的基础上，从应力－应变关系、强度特性、声发射及破坏特征等方面，对岩体在加、卸荷条件下的破坏特性进行对比分析。结果表明：同类型的岩体在相同的主差应力作用下，卸荷产生的扩容量比加荷的更大；卸荷破坏的强度比加荷的更低；卸荷产生的声发射率比加荷的更高；加荷下岩体易呈剪切破坏特征，而卸荷下岩体常呈张剪复合型破坏特征。     

动静组合加载下刀具破岩的力学模型

基于初始弹性和动静荷分工的假设,将动静复合加载下坚硬完整的脆性岩石的破碎过程分为弹性、损伤和断裂3阶段,综合运用弹性力学、岩石力学、损伤力学和断裂力学进行分析。由集中力作用下弹性半空间的应力场和单元体的剪切破坏,得出了岩石损伤的裂纹源和其曲线扩展路径;选定Ⅰ型、Ⅱ型裂纹作为动载冲击作用下压剪裂纹的扩展模式。提出了以冲击能（次数）来定义损伤度的方法。以相邻破碎坑的侧向裂纹扩展贯通作为岩石破碎的终点。本力学模型可以用于动静复合加载破碎岩石的系统仿真、数值模拟和机具设计。