应用真三维岩体建模仿真技术推进岩石力学教学改革

随着计算机技术的发展和研究项目最新成果的取得, 把岩体真三维建模仿真技术引入到岩石 力学教学改革与实践中, 挖掘教学资源潜力; 开展岩体结构、岩石变形与破坏过程的数值试 验, 再现许多物理实验所不能观察到的力学现象, 例如岩体的空间真三维结构、岩石破坏过 程块体滑落等, 从而使学生对岩石的变形与破坏过程有更加清晰的认识, 提高岩石力学实验 的教学质量.     

应用数值试验方法，推进岩石力学实验的教学

 把岩石破坏过程分析数值模拟系统RFPA引入岩石力学实验课程的教学，进行岩石变形 与破裂过程的数值试验. 数值试验可以再现许多物理实验所不能观察到的力学现象(例如 岩石破裂过程中的应力场)，从而使学生对岩石的变形与破坏过程有更加清晰的认识，提高岩 石力学实验的教学质量.     

岩石三维破裂过程分析软件开发及其应用

概述了岩石破裂过程的研究现状和建立三维破坏过程数值模型的研究意义，介绍了 岩石破裂过程分析的数值思想以及软件特点、软件编制的实现方法，针对岩石基本力学 试验和破坏特点、工程混凝土的拉伸裂缝问题做了几个实例模拟分析. 结果表 明RFPA^{3D}可以很好地反映实际岩石破裂的特点和基本规律，为岩石破裂过程分析提供了一个有力的工 具.     

含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

从岩石材料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－应力相互作用关系进行了分析. 初步建立了细观岩石热－力(TM)耦合数值模型， 探讨了TM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制，把岩石 热固耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中. 运用该数值模型对某 硬岩实验室开展的原位尺度实验中的废料处理井间柱稳定性进行了模拟分析，其应力场、岩 石剥离破坏形态及破坏诱发的AE特性等均与实验监测结果表现出了较好的一致性，证 明了该数值模型的合理性和有效性.     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

岩体力学试验的理论分析

本文通过对岩石力学试验中岩石试件破坏方式的分析, 在理论上解释了岩体力学试验中经常遇到的一些力学现象并且作出了定量的回答, 同时还建立了岩石的各种破坏模式的判据。     

SHPB实验过程中岩石变形破坏的实时物像同步分析

典型的岩石动态压缩应力-应变曲线有不同的阶段,岩石变形、破坏形态也有不同的图像表征,力学响应和图像表征具有一一对应关系。针对上述特性,组合分离式霍普金森压杆(SHPB)与高速摄像机,建立物像同步分析装置,系统研究了岩石在冲击荷载下完整的应力和应变动态响应,并实时采集图像信号。最终,根据应力波传播理论,编制了物象同步分析程序,通过界面显示可实现力学响应与图像表征同步分析。该程序直观地反映了岩石在冲击荷载作用下,应力-应变曲线中不同阶段的力学特性及与其对应的试样开裂情况、破坏趋势、损伤程度等图像表征,清晰地揭示了岩石变形破坏过程的力学机理。     

不同围压下含天然贯通节理岩石卸载破坏机理研究

二郎山特长高速公路隧道断裂带较多，受此影响，隧道开挖后岩爆灾害十分严重．从此隧道中取样制备成含天然贯通节理试件，进行常规单轴压缩室内试验，获取基本力学参数和破坏模式．本文以室内实验结果为依据，确定数值试验时所采用的岩石和节理的力学参数，利用RFPA软件开展数值试验，研究了不同围压同轴向荷载下卸掉围压诱发岩石失稳破坏机理．试验结果表明，五种不同围压(5、10、15、20、25 MPa)卸载后应力-应变曲线均呈“断崖式”跌落，试样均突然破坏，与现场岩爆情况吻合；受贯通节理影响，不同围压试样的具体破坏形态、声发射数量最大值出现时刻有所差异；在卸载阶段五种试样声发射累积数量都突然急剧增大．     

岩石力学中的Fuzzy数学方法

鉴于岩石力学问题中的许多因素具有强烈的“模糊性”,本文利用Fuzzy数学来研究工程中的岩体力学问题;并针对露天矿山岩体变形破坏问题,应用Fuzzy概率测度理论导出了岩体变形破坏的Fuzzy概率公式,且给出了数值方法,实例计算表明,本方法适用于分析和研究岩石力学尤其是矿山岩体力学问题。     

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流，损伤耦合迭代来实现。算例表明，该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响，非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展，模拟结果和实验结果较为一致。     

含初始裂纹巴西圆盘劈裂问题的非局部近 场动力学建模

巴西圆盘劈裂是弹性力学及岩石力学与工程中的经典问题。在非局部键型近场动力 学理论的基础上,引入物质点对的转动自由度构建双参数微观弹脆性近场动力学本构力模型 以突破常规模型的应用范围限制,并考虑岩石混凝土类材料的宏观拉压异性和断裂特征。引 入动态松弛、粒子系统力边界条件和系统平衡弛豫等算法,实现了含不同倾角中心裂纹巴西 圆盘受压劈裂破坏全过程的近场动力学数值模拟,裂纹扩展路径及破坏形式均与试验结果高 度吻合,为裂纹扩展和断裂破坏问题的数值模拟提供了新的选择。     

谈工科理论力学教学中数学工具的应用

分析了当前理论力学教学由于缺乏对数学工具的充分应用而带来问题，提出在理论力学教学 中应充分利用矢量、矩阵等数学工具，重视对学生计算机数值求解方法的训练. 在具体的求 解过程中选用MATLAB或Maple软件作为数值计算的工具.     

岩石圆盘径向压缩破坏的Voronoi子块体单元DDA方法模拟

非连续变形分析(DDA)方法是计算离散可变形块体系统力学行为的数值计算方法，可通过子块体单元DDA方法模拟岩石的开裂破坏。考虑到Voronoi多边形颗粒与细观尺度下岩石矿物晶粒形态的相似性，提出一种基于随机圆的Voronoi颗粒单元模型生成方法；并通过完整及带预制裂纹岩石圆盘径向压缩破坏的模拟，验证岩石破裂问题Voronoi子块体单元DDA模拟方法的适用性。结果表明，当子块体单元数较小时，圆盘表现出更高的整体强度；随着子块体单元数的增大，起裂处位置更接近真实，开裂破坏路径更清晰；子块体单元数较大时不同倾角预制裂纹圆盘破坏的模拟结果与实验结果高度吻合，并能有效反映圆盘中心加工小孔对开裂破坏路径的影响。使用Voronoi子块体单元DDA方法能够有效模拟岩石的开裂破坏过程，为进一步开展基于Voronoi颗粒单元模型的岩石开裂破坏模拟创造了条件。     

基于数字图像处理的岩石细观破裂力学分析

将数字图像处理技术引入到岩石破裂过程分析RFPA2D(Rock Failure Process Analysis)系统,建立了岩石细观结构破坏过程分析方法．首先提取岩石的细观结构图像,再转化成RFPA2D的前处理数据和数值分析网格,然后进行应力求解和破坏分析．以花岗岩细观结构为例,阐述了运用基于数字图像处理技术的RFPA2D方法进行岩石细观结构破坏分析的过程．结果表明,在岩石破裂过程数值模拟分析中引入数字图像处理技术是岩石细观结构破坏力学行为研究的一种方便而有效的方法．     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．     

采动岩体力学——一门新的应用力学研究分支学科

采动岩体往往是由破坏后的各种块状岩体组成，它最显著的力学行为特征是破断一运动。本文从岩石的本构理论，采动岩的灰色结构、岩体有－破裂－结构－运动全过程描述，有支 力场等方面对采岩体力学的发展加以阐述。指出采坳岩体力学发展过程中应注意的问题。认为作业矿岩石力学的研究重点，采动岩体力正在逐步发展成为一门完整独立的学科分支。     

流体弹塑性理论模型的历史意义和发展前景

郑哲敏与合作者一起创建的流体弹塑性理论, 是研究强作用下物质力学行为特征的一门基础工程科学. 该理论从创建至今近60年, 经历了模型化、软件化、工程化等发展阶段, 日臻成熟, 从中研发出的系列工程化模型, 对解决强爆炸效应等科学计算难题, 起到了核心支撑作用. 具体工程应用中, 尚须进一步发展, 需要做到: 完善的理论能真实反映岩石力学多变行为、成熟的模型能全面描述强作用下岩石破坏过程、新型计算框架能满足基础理论普适性要求、多种材料试验能提供仿真全方位数据需求、破坏分区能精细刻画常规侵彻爆炸破坏特征. 做到上述内容, 需继续完善该理论模型, 建立起国家层面的工程化构架和标准, 并研发可外挂到数值仿真软件系统的流体弹塑性模型软件包和相应数据库.      

岩石在不同围压、温度、应变速率下的力学效应

近年来,研究工作者越来越重视岩石在静态和动态条件下基本力学性质的研究。其主要原因是,人们已经认识到与岩石有关的许多实际工程力学问题的解决,都有赖于弄清岩石的破坏机理、破坏准则、模型以及本构关系的建立。而研究这样一些岩石的力学性状,又必须研究岩石在各种围压、温度、应变速率等条件(即各种应力场与温度场)下的力学效应。本文综合评述在这一领域中,国外研究者的一些主要研究结果。      

岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆 破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等 效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用 的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸 出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力 有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技 术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对 计算结果有重要影响。     

基于神经网络和平直节理接触模型的细观参数标定方法

近年来,颗粒流程序离散元分析方法在岩石工程领域广泛应用,它从细观角度最大限度地还原了岩石等材料力学行为的本源,但颗粒流模型的细观参数与岩石材料的宏观参数并不相同,其标定过程复杂、耗时。为此,基于平直节理接触模型,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩等数值模拟试验测试岩石材料宏观力学参数;对模型细观参数进行正交设计,并通过多因素方差分析研究宏细观参数之间的关系;采用BP (back propagation)神经网络建模对细观参数进行标定并校核标定结果,校核结果表明细观参数标定精度普遍高于90%,且总体误差较小,证明了标定方法的可行性。结合花岗岩在室内常规试验下的应力-应变曲线和破坏特征,验证了神经网络的反演方法在标定岩石材料细观力学参数工作中的有效性。