岩石块度的分形演化模型及其应用

提出一整套岩体块度预测方法.根据岩石分形损伤断裂切割岩块的块度形成机理，利用能量守恒关系，建立了损伤-能量-碎块尺寸理论关系式.为方便应用，将该式简化为块度-损伤演化关系式.提出了适合工程应用的损伤模型建立方法，并将其应用于岩石块度预测.根据块度分布的自相似性，将岩石块度-损伤演变关系式推广应用于岩体块度分布预测.对于节理岩体，计算裂隙损伤变量，利用块度-损伤关系式计算当前岩体块度.作为实例，计算了金川橄榄岩体块度分布.     

复合岩石的微结构损伤破坏

在实验的基础上对构成层状煤系地层的岩石进行了损伤破坏过程的研究，提出了微结构损伤模型，建立了本构方程与损伤演化方程，分析了复合岩的损伤破坏及稳定性。     

露井协采下边坡岩体损伤规律与强度特性

岩体的变形实质上由岩块的弹性变形、岩块的塑性变形和节理裂隙的延展三者产生的变形之和。节理岩体的强度特性与节理裂隙的发育与延展密切相关。根据损伤力学与断裂力学理论,通过模拟岩体节理裂隙在不同开挖条件下的延展而引起损伤张量的变化,探讨岩体强度与损伤张量之间的关系以表征其岩体强度的时空变化与各向异性。     

循环爆破荷载作用下类铀矿岩损伤与氡析出规律的实验研究

为了深入研究类铀矿岩在循环爆破荷载作用下的损伤及氡析出规律,首先制作了室内爆破装置,然后依据相似理论,以铀尾砂等为原材料制备了类铀矿岩来代替实际的铀矿岩,在室内制成250 mm×250 mm×200 mm的试块,在试块上设置25个测点,再对试块施加循环爆破荷载,直至试块完全破碎。利用非金属超声波检测仪测量试块每次爆破前后的纵波波速,并换算成对应的损伤值;同时,采用密闭腔体法测量试块爆破后的累积氡浓度,并计算出氡析出率。采用K-Means聚类算法计算出25个测点的权重,进而得到综合损伤变量。研究结果表明,随着爆破次数增加,矿岩损伤呈现出“倒S”形状,且氡析出率与矿岩损伤值的变化具有一致性。该研究可为今后铀矿开采过程中的氡辐射防护和岩体稳定性研究提供参考和借鉴。     

基于压电陶瓷和DIC的软硬互层岩石内外损伤试验及模型研究北大核心

为探究软硬互层岩石在破坏后的损伤演化规律,利用相似模型理论制作3组类岩石试块(软岩、互层岩石、硬岩),在对类岩石试块进行单轴压缩的同时辅以压电陶瓷试验和数字图像相关技术(digital image correlation,以下简称DIC)来实时检测岩石的内外损伤,分析其破坏状态和损伤演化规律。试验结果表明:软硬互层岩石的强度、变形特性介于类软岩、类硬岩之间,在达到峰值点前其力学规律类似于软岩有一定的膨胀变形,而在破坏后其力学特性为接近硬岩的脆性破坏;将压电陶瓷时域信号和DIC应变图像与岩石从加载至破坏的过程相结合,发现各类岩石呈现初始平缓、中期加速、末期减缓的“S”形损伤演化规律;压电陶瓷时域信号的衰减幅度与岩石损伤中前期过程正相关,而DIC图像应变变化特征与岩石损伤中后期过程关联密切;软硬互层岩石损伤中前期过程主要是软岩部分的变形及硬岩部分少量的裂纹发育导致的损伤累积变化,而后期则主要是硬岩部分微裂纹相互连接贯通导致的损伤累积,最终表现为软岩部分的粉碎、硬岩部分呈现明显的贯通裂纹。结合压电陶瓷与DIC技术的损伤监测特点,基于尖点突变理论量化岩石损伤曲线中的突变区间和突变交点,以突变交点为岩石内外损伤的分段点,提出内外损伤结合的岩石本构模型。     

塌陷区破碎岩块渗透系数计算方法

通过分析塌陷区破碎岩块渗透系数的影响因素,得出塌陷区中破碎岩块渗透系数大小取决于塌陷区破碎岩块的粒度分布参数和最大破碎岩块的粒径。通过配比不同粒径分布的塌陷区较小破碎岩块样品并测定其渗透系数,建立了渗透系数与粒度分布参数和最大颗粒直径之间的关系方程。实例计算表明,只要确定出塌陷区破碎岩块的粒度分布参数和最大颗粒直径,依据该关系方程就可以较为准确地计算出塌陷区破碎岩块的渗透系数。     

近距离下煤层损伤基本顶破断规律及稳定性分析

为掌握近距离下煤层损伤基本顶的破断、失稳规律,首先对下煤层基本顶的损伤类型进行了分类,提出了基本顶损伤量化的方法,之后采用理论分析对损伤基本顶的断裂长度进行了研究,并基于"砌体梁"的"S-R"理论研究了损伤基本顶的失稳规律。研究结果表明:1损伤造成基本顶提前断裂,断裂长度随损伤量的增大而减小,达到极限损伤量时基本顶随采随垮;2损伤基本顶更易发生"砌体梁"滑落失稳,损伤量越大滑落失稳的几率越大,铰接岩块挤压力的减小是造成上述现象的原因;3"砌体梁"铰接岩块挤压力的递减速度大于铰接面抗压强度递减速度,损伤基本顶反而不易发生"砌体梁"的回转失稳;4通过对晋华宫矿307盘区11号煤层8707工作面的矿压观测,验证了损伤基本顶断裂及失稳规律。     

节理岩体爆破的块度计算模型

以分形理论和现场实测数据为基础，提出了节理间距的Ｃａｎｔｏｒ集分布和岩体天然块度的计算方法，用随机分形构造模型描述爆破岩块的形成过程，按照损伤力学的方法，研究节理岩体爆破机制，提出岩体破碎比比率这一新概念，由此建立了节理岩体爆破块度计算的损伤模型。     

基于损伤理论的多孔介质动力解析

介绍了多孔介质连续化方法和连续介质损伤力学研究的一般方法，采用宏，细观相连接的损伤模型，描述了多孔介质的骨架刚度和流体通道演变过程，在连续介质力学守恒定律的基础上，推出了非饱和土的动力方程，进而，可方便地退化为饱和多孔介质的动力方程和一维固结构方程。图3，参11。     

芦岭矿810采区围岩岩体物理力学参数的修正

利用岩体损伤分析原理,通过裂隙率观测,找出了岩体损伤参量与裂隙率之间的关系,建立了岩体与岩块弹性模量之间的修正关系式,结合位移反分析原理得出芦岭矿810采区围岩岩体有效物理力学参数的修正值。     

Study on damages constitutive model of rocks based on lognormal distribution

The damage constitutive relation of entire rock failure process was established using the theory of representative volume element obeying the Iognormal distribution law, and the integrated damages constitutive model of rock under triaxial compression was established. Comparing with triaxial compression test result, it shows that this model correctly reflects the relationship of stress-strain. At the same time, according to the principle of the rock fatigue failure that conforms to completely the static entire process curve, a new method of establishing cyclic fatigue damage evolution equation was discussed, this method form is simple and the physics significance is clear, it may join preferably the damage relations of the rock static entire process curve.     

考虑频率影响的盐岩变参数蠕变损伤模型

基于低频三轴循环加卸载试验得到盐岩轴向初始衰减和稳态蠕变变形规律,以及卸载模量随着循环周次的增加呈现负指数型弱化趋势。以弹性模量的折减表征循环荷载下盐岩损伤劣化,考虑损伤因子的频率和时间效应,得到统一损伤演化方程,建立考虑频率影响的变参数Burgers蠕变损伤模型。对比分析表明,该模型能够准确描述不同频率循环荷载作用下盐岩蠕变变形特征和损伤演化过程,为盐岩地下储气库注采运营稳定性分析提供更为合理的分析模型和力学参数。     

基于岩石损伤破坏和声发射理论的岩爆发生机理

岩石等脆性材料在加载过程中，随着载荷的增加，材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具，它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展，这是其他任何方法都不具有的优势。采用岩石声发射测试技术，对不同孔隙率的岩石的岩爆机理进行了系统的试验研究；利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式；用不同孔隙率的大理岩进行了双轴压缩试验。试验模拟了双向受力状态下的岩爆，研究了其破坏过程中的声发射特征，并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。研究表明，采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程，是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪，对混合岩进行三轴压缩声发射试验，利用声发射参数，分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系；混合岩岩样每出现裂缝时，累计声发射振铃计数数值将发生骤增，且随着围压的增大，岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征；建立了混合岩体应变损伤演化模型，该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段；低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏，随着围压的增大，混合岩由弹脆性到延性的转换，混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压，混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

加锚断续节理岩体力学特性的研究及其应用

按应变等效假设及自洽理论建立了加锚断续节理岩体在复杂应力状态 本构关系及其损伤演化方程，并将其应用于三同道峡船闸高边坡稳定性分析中。重点分析了边坡节理尖端产和 生裂纹的可能性及演化长度和用锚固手段减少节理损伤演化区和边坡变形量的效果。     

考虑非线性脆性损伤和中间主应力影响的圆形巷道围岩分析

针对岩石的脆性破坏特征及峰后力学性能的劣化损伤,引入非线性脆性损伤本构模型,得到三维连续损伤演化方程。将圆形巷道围岩划分为松动破裂区、脆性损伤区、弹性区,考虑中间主应力的作用,采用统一强度准则和连续损伤力学方法,对巷道围岩力学状态进行极限平衡分析,推导出围岩损伤破裂半径及应力场分布的解析表达式。通过算例,分析了中间主应力、围岩脆性特征和损伤程度对理论解的影响。分析表明:中间主应力作用越大,围岩的损伤破裂半径越小,切向应力峰值距离巷道越近;脆性强弱对围岩应力分布的影响只局限在脆性损伤区内,围岩的脆性越强,损伤破裂半径越大,脆性损伤区内的切向应力随深度的增大而增大;围岩的残余强度越小,松动破裂程度越大,损伤破裂半径越大,切向应力峰值向围岩深部转移。     

三轴压缩岩石损伤扩展细观机理及其本构模型

利用已研制成功的CT（Computerized Tomography）机专用三轴加载实验设备，完成了三轴压缩荷载作用下岩石损伤演化CT实时细观实验。确定了应力损伤阈值，对CT实验结果进行了定量分析。从工程应用出发，给出了峰前分段岩石损伤演化方程及本构关系。理论分析结果与实验结果较吻合。     

煤岩体压裂损伤突变演化模型的研究

煤岩与其他普通岩石的力学性能明显不同。为了描述煤岩体压裂岩体突变形成裂缝以及裂缝的扩展问题,基于突变理论定义了损伤变量,并建立了岩体突变过程的能量释放计算模型。基于能量守恒原理,建立了突变后微裂缝扩展的能量方程。通过对黑龙江省鸡西煤矿张晨矿区西三采区煤样在不同压裂阶段缝内流体净压力和微裂缝扩展规律的观察分析,得到由于岩体物性参数不同微裂缝开始破裂的时间也不同,为后续裂缝演化内在混沌特征的研究提供了依据。     

考虑尺寸效应的裂隙岩体强度损伤力学研究

根据岩体裂隙网络的层次性分布特点, 研究岩体裂隙分形结构的标度不变区间, 以此划分岩体宏观损伤的不同层次。通过确定相对无损尺度, 利用分形结构的标度不变性, 在连续介质损伤力学框架内, 预测岩体强度损伤, 并根据统计强度理论, 预测在荷载条件下岩体强度的损伤演化。研究表明, 岩体强度的初始损伤及其演化存在一定的尺度效应。     

基于CT图像的土石混合体破裂-损伤的三维识别与分析

土石混合体是一种特殊的非连续非均匀地质材料,传统的岩土力学试验方法与分析理论难以直接用于分析其变形破坏行为。发展了一种基于CT扫描和图像处理技术的内部破裂与损伤的三维识别方法,利用自行开发的裂纹识别提取程序提取和分析了单轴压缩下不同含石率土石混合体变形破坏时的内部细观结构变化特征,建立了土石混合体破裂-损伤的三维重构模型,定量地分析了单轴压缩条件下土石混合体的内部损伤演化规律以及含石量的影响和作用。研究表明:该方法可以直观定量地表征土石混合体变形破坏的内部损伤特征与演化规律。石块对土石混合体损伤发展的影响与含石量密切相关,存在一个临界含石率。