田下凝灰岩应力松弛特性及数值模拟研究

岩石应力松弛特性是预测地下工程长期稳定性的重要基础。首先,对峰前、峰值和峰后区域应变水平下田下凝灰岩进行分别加载应力松弛试验,研究松弛过程中应力变化规律,并分析了应力松弛水平随应变水平的变化规律;其次;对田下凝灰岩进行分级加载应力松弛试验,研究分级加载条件下应力的变化规律,试验结果表明,分级加载和分别加载应力松弛具有相同的规律,且峰值处、峰值后的应力松弛特与峰值前的基本相似;最后,利用基于弹簧模型的可变模量本构方程对田下凝灰岩应力松弛试验进行数值模拟,试验结果与计算结果一致性很好,表明该本构方程可以较好的描述田下凝灰岩的应力松弛特性,可以预测工程流变破坏寿命。     

改进西原模型的三维蠕变本构方程及其参数辨识

 传统西原模型由虎克体、黏弹性体以及黏塑性体串并联组合而成,难以描述岩石非线性加速蠕变阶段的流变特性。通过在西原模型上串联一个带应变触发的非线性黏壶,提出改进的西原模型,推导岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程,并采用该流变模型对三峡库区万州红层砂岩流变试验全过程曲线进行辨识,获得模型各参数值。与试验结果的对比分析表明,改进的西原模型不仅可以充分反映岩石初期蠕变、稳定蠕变阶段的流变特性,还可以很好地描述岩石加速蠕变阶段的蠕变规律,明显优于传统的西原模型。加速蠕变是滑坡临滑预报的关键阶段,该模型对加速蠕变阶段的成功描述,对滑坡临滑预报具有一定的指导意义。     

岩石黏弹塑性损伤蠕变模型研究

岩石蠕变力学采用在经典元件模型基础上引入非线性元件和蠕变损伤的方法,来解决经典元件模型不能描述岩石整个蠕变过程中的非线性特征问题。首先分析这类方法在模型参数辨识、损伤蠕变方程建立和屈服条件选择等方面的不严谨之处,然后根据非线性流变理论以及损伤理论采用和构建弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏塑性体,并将四者串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、黏性应变和非线性黏塑性应变的损伤蠕变模型。推导岩石在恒应力情况下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到损伤蠕变方程,结合蠕变曲线特征给出简单可行的模型参数辨识方法。最后采用砂岩分级加载单、三轴压缩蠕变试验曲线与理论曲线和预测曲线进行对比来验证模型的适用性。结果表明两者吻合程度较高,黏弹塑性损伤蠕变模型不仅可以精确反映衰减、等速阶段蠕变曲线的非线性特征,而且能够描述岩石在高应力状态下的加速蠕变特征,其适用性得到验证。     

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识.以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究.先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法.然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分.并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法.最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例.     

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

 基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC++编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。     

岩石弹黏塑性流变试验和非线性流变模型研究

采用分级增量循环加卸载和单级加载方式,对金川有色金属公司 III 矿区二辉橄榄岩试样进行弹黏塑性流变试验,在对流变试验数据进行深入分析基础上,详细研究该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特性,将衰减蠕变曲线分离为黏弹性分量与黏塑性分量,研究各衰减蠕变变形分量的非线性特征,建立定常流动速率及加速蠕变率的应力、时间的拟合函数.根据不同应力水平下的加、卸载蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、黏塑性改进Bingham体串联而成的新的岩石非线性弹黏塑性流变模型,对模型参数辩识,提出非线性元件参数的确定方法.该流变模型具有两个屈服极限且流变元件参数是关于应力和时间的拟合函数,考虑了衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段的非线性特征,能反映不同应力水平下岩石流变规律,尤其能较合理地模拟岩石加速蠕变,从理论上给出非线性弹黏塑性流变模型的松驰方程和三维蠕变方程.利用不同应力水平下岩石蠕变全程试验曲线,对提出的非线性弹黏塑性流变模型进行充分验证.试验曲线与非线性流变模型理论曲线较吻合,显示所建非线性弹黏塑性流变模型的正确性与合理性.     

理论流变力学模型中蠕变损伤的研究方法与问题

在用理论流变力学模型研究蠕变损伤时,以往许多研究按照Lemaitre应变等效原理,根据理论流变力学模型在模型参数为常数条件下得到的蠕变方程,将其中的应力替换成有效应力,以引进损伤变量,并采用适当的损伤演化方程来描述损伤变化规律,由此得到蠕变损伤方程,这等同于将理论流变模型中的流变参数p替换为p(1-D)(D为损伤变量),这时的流变参数是一个变量,这种做法存在着与参数非线性理论流变力学模型研究中相同的问题,即通过直接将常参数条件下的蠕变方程中的参数替换成其相应的函数而得出错误的变参数条件下的蠕变方程。本文先假定蠕变时间与损伤时间一致,给出将理论流变力学模型微分型本构方程中的应力替换成有效应力,再由此解出蠕变损伤方程的方法。在此基础上,进一步证明用叠加原理求解理论流变力学模型蠕变损伤方程的正确性,并据此给出蠕变时间和损伤时间不一致时的理论流变力学模型蠕变损伤方程求解方法。指出以往研究中的一些问题并给出更严谨的结果,可望为以后的研究提供借鉴。     

饱和、非饱和岩石损伤统计本构模型探讨

基于统计理论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤特征进行了探讨,建立了弹性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力,并能反映岩石剩余强度。在混合物理论基础上,建立了饱和、非饱和岩石损伤软化统计本构模型。该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力-应变曲线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力-应变关系所起的作用。与试验结果的比较显示模型是合理的。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

单轴应力下岩石的热-粘弹塑性模型研究

在工程实际中,岩石可以看作是一种粘弹塑性材料.在单轴应力状态下,考虑温度的影响,用弹性元件、粘性元件和塑性元件的组合来模拟岩石复杂的流变行为,建立了岩石的热-粘弹塑性模型.推导了岩石的热-粘弹塑性本构方程,进而讨论了该模型的蠕变行为、松弛行为以及卸载方程等,并对其变化规律进行了讨论.     

岩体应力与渗流的耦合及其工程应用

岩体中应力与渗流的耦合对于工程应用十分重要。应用孔隙弹性力学理论，研究裂隙岩体与多孔介质岩体的应力变化引起的渗透性变化。推导出应力与渗透系数的关系式，得出由于多孔介质含水层疏水及应力变化造成的地表下沉计算公式。基于孔隙弹性理论，开发用于耦合应力与渗流的有限元计算软件。采用有限元方法耦合应力与渗流的关系，模拟不同采宽条件下采煤工作面的采动影响特征，得出工作面围岩渗透性变化、覆岩破坏高度、地表下沉与工作面几何参数的关系，这对于类似条件下的煤矿开采与设计有指导意义。     

盐岩屈服–破坏特征的试验及理论研究

围岩塑性区及破坏区的范围是盐岩地下储气库群腔体间距设计的重要因素,盐岩屈服及破坏特性的精确描述对于减少腔体间距,以及在有限的盐岩建库区建设更多的储气库具有重要的意义。基于盐岩的单轴、三轴应力–应变试验曲线,分析盐岩的屈服–破坏特征,将腔体围岩分为弹性区、塑性区及破坏区。试验结果表明：盐岩的屈服表现出强烈的线性特征,能够用Tresca屈服准则来描述盐岩的屈服特性,以塑性应变第二不变量为硬化参数研究盐岩的硬化特征,发现盐岩为等向硬化材料。在屈服方面,盐岩表现出金属材料的特征;在破坏方面,盐岩表现出岩土材料的特性。试验观察到剪切破坏以及轴向劈裂破坏,并基于厚壁圆筒理论解释单、三轴压缩试验中出现的轴向劈裂破坏现象。同时发现盐岩的破坏特征具有强烈的围压相关性,当围压≥5 MPa时,盐岩即使达到很大的变形(20%)依然能够承载而不发生破坏。基于莫尔–库仑准则,引入一条与围压相关的坏准则,最终建立包括拉破坏、剪破坏以及不破坏的盐岩破坏准则,基于破坏准则将应力空间划分为3个区：拉破坏区、剪破坏区以及不破坏区。在FLAC中修改本构以及自定义状态参量,通过简单模型得到围岩的弹性区、塑性区以及破坏区,验证屈服准则、破坏准则以及围岩分区的正确性。     

岩体与基础原位变形监测与稳定性评估

概括了岩体与基础稳定性观测的技术特点和要求，介绍了MD系列化仪器的型号、功能与用途、技术特点，总结了4个大型水电工程中应用MD系列化岩体与基础变形监测仪器对坝址区坝基(肩)及边坡进行岩体原位变形监测的情况，结合已获得的观测成果，分别对监测目标的稳定性进行了评估。     

岩石压剪断裂核与板块内部地震

 在中国大陆内部发生的地震属于地球板块内部地震。它的发震机制是在应力作用下,原有断层裂面端部形成特殊形状的岩石破碎区--岩石压剪断裂核而导致断层扩展。该模式已被单江震源地质遗存所证实,且理论、试验、遗存一致,微观、宏观相符。通过试验研究,取得岩石压剪强度、岩石破碎后的扩容与膨胀应力、压剪断裂判据、压剪断裂试验过程中闭合裂缝面应力向缝端转移及断裂前闭合裂缝面出现开位等系列结果。根据岩石压剪断裂核模式分析,压剪断裂核内岩石破碎先于地震发生,衍生热红外等诸多现象,在临震前显现异动。因此,板内地震的发生具有可预测性。     

论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

 简要论述岩石循环的地质作用,提出并讨论岩石地质本质性命题,侧重阐述岩石的物质性、结构性和赋存性,及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识,探讨岩石物理本属性,包括不均一性、不连续性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上讨论岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论建立起岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。     

中国岩石力学与工程的世纪成就与历史使命

就中国岩石力学与工程学科现代化进程作粗浅探讨，扼要地总结了20世纪岩石力学研究与工程建设实践在我国所取得的成就。今天在我国现代化建设中，岩石力学专家和工程师们面前出现难得的机遇，一座巨大无比的可持续发展的舞台，等待着他们展示聪明才智和博学多能。同时，他们也将面临全球化发展的激烈竞争和严峻挑战。只有勇于创新，敢于实践，才可期待一个现代化的岩石力学与工程学科在中国大地上显现辉煌。     

岩爆与爆破的关系

许多大型地下工程的岩爆实录表明,岩爆与爆破具有密切关系。当前炮次爆破形成的爆炸应力波在已开挖围岩中的传播可以概化为Lamb线源问题。爆破后,对于已开挖围岩轮廓面上某一点,P波、S波和Rayleigh波顺序到达;P波和Rayleigh波对围岩具有显著的扰动作用,两者之中大振幅Rayleigh波居于支配地位。P波和Rayleigh波将分别在围岩中形成垂直和平行于开挖轮廓面的张性破裂面;在21ss>,03=s的应力环境中,这些破裂面的出现,将引起围岩以岩爆或片剥的形式破坏。P波的衰减和Rayleigh波的垂向分布可以解释岩爆高发区与掌子面的空间关系及岩爆碎片的形状特征等若干岩爆现象。     

煤样变形破坏峰值前后电磁辐射特征研究

对不同矿区7种类型的硬煤、软煤、混凝土等进行实内试验研究。试验结果表明，电磁辐射水平与煤岩所受的应力水平关系密切，不同煤岩破坏峰前阶段的电磁辐射随应力的增加而起伏增强，峰前阶段的电磁辐射在应力水平为80％-95％时最强；峰后阶段的电磁辐射在峰值强度后随着应力的降低呈上升趋势，峰后阶段的应力水平为60％左右时，电磁辐射达到最大值，之后随着应力的下降，电磁辐射逐渐下降。冲击倾向的电磁辐射指数是指煤岩变形破坏峰后电磁辐射指标与峰前电磁辐射指标的比值，可分为冲击倾向的电磁能量指数和电磁脉冲指数。电磁能量指数和电磁脉冲指数与现有的冲击倾向指标有很好的线性关系，即电磁辐射能量指数和脉冲指数越大，煤岩的冲击倾向就越强。冲击倾向的电磁辐射指数可用来评价煤岩的冲击倾向，并以此确定冲击倾向的电磁能量指数和电磁脉冲指数判断煤岩冲击倾向性的分级指标值。因此，冲击倾向的电磁辐射指数是电磁辐射预测煤岩冲击倾向性及冲击危险程度的重要指标。     

岩芯卸荷扰动的声学反应与卸荷敏感岩体

声波测试是工程岩体质量评价的最主要手段之一。将岩体与岩块的纵波波速比的平方定义为岩体的完整性系数。不仅为国内外学者广泛认同。而且是现行规范的定义。这是源于如下认识：原位岩体的纵波波速小于其中岩块的波速；岩体越破碎。小得越多。然而。通过润扬大桥声波测试发现。用通常手段得到的大部分岩体的测井波速反而大于岩样波速。对该桥基岩40余个钻孔数百个岩样进行了多种手段的对比研究和综合分析。探讨了测试结果的可靠性及产生原因。进而提出了岩芯卸荷扰动和卸荷敏感岩体的概念和相应的工程对策。     

基于原位试验和规范的岩体抗剪强度与Hoek-Brown准则估值比较

 简要论述目前岩体抗剪强度确定方法,以黄河上游玛尔挡水电站坝基岩体为例,在岩体质量分级基础上,引入规范建议值及现场原位大型剪切试验结果,建立岩体抗剪强度指标与BQ岩体质量分级的相关关系。同时利用实测资料建立BQ与GSI的相关关系,运用Hoek-Brown准则估算各试验点岩体的抗剪强度指标。结果表明,采用该研究成果较符合工程实际,而采用Hoek-Brown准则估算的等效内摩擦因数偏小,黏聚力则偏大很多。误差分析表明,这一结果主要是由Hoek-Brown准则中最小主应力的取值范围引起的,据此提出公式应用中需注意的问题及相应解决方法。