深埋地下洞室局部让压效应及能量演化规律

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害，基于岩爆能量原理，提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念，分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托，通过FISH语言编译计算代码对三维有限差分数值软件进行二次开发，系统地从围岩局部让压的角度研究深部地下洞室在动载作用下的能量演化规律以及钢架合理支护让压间距对洞室破坏形式和动态响应规律，研究表明：由于围岩的局部让压效应，对围岩的扰动减少，冲击波能量在掌子面处被吸收和反射，导致动力响应减弱，使动力荷载有所消减。洞室开挖后，围岩在破坏初期首先出现张拉破坏而后以剪切破坏为主，剩余弹性应变能以动能形式向外剧烈释放，发生岩爆现象的部位与岩体最大主应力方向具有直接关系。     

岩爆预警与烈度评价的声音信号分析

利用真三轴岩爆实验系统在室内再现了岩爆动力破坏过程，采用数字录音笔对岩爆过程的声音信号进行监测，在声音信号预处理的基础上，对岩爆过程中的颗粒弹射、岩板劈裂、块片弹射3种岩石脆性破坏现象的不同声音特征指标进行分析。结果表明:3种典型脆性破坏现象的声音信号在波形、频谱、声纹和短时能量等特性指标上存在明显差异，这些特征指标适用于岩爆的特征提取。提出了一种基于声音信号的岩爆烈度评价指标——局部声响总能量，该指标适用于定量评价岩爆发生的剧烈程度。     

深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下，原有的平衡状态被打破，围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下，岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性，因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发，结合统计物理学观点，为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍，并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。     

频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体的动力学影响

基于冬瓜山铜矿深部巷道围岩开挖过程中面临的高应力和频繁爆破扰动问题，利用改进的SHPB动静组合加载系统，开展了频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体动力学影响的研究。研究结果表明，围压卸载中的矽卡岩受到动力扰动时，其动态峰值应力和弹性模量随动力扰动次数非线性变化。围压卸载中的高储能矽卡岩受到动力扰动时会释放能量。轴压促使岩样内微裂隙轴向发育，造成岩样抵抗动力扰动能力减弱；围压减缓岩样内微裂隙轴向发育，造成岩样抵抗动力扰动能力增强。动力扰动对微裂隙扩展有促进作用，使围压卸载中的岩样由拉伸破坏向剪切破坏转变。     

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

深埋地下洞室断裂型岩爆机理的数值模拟

针对深部岩体中由断层、节理等不连续性结构面引发的岩爆地质灾害, 根据深埋地下隧洞中潜在发震断裂的分布特征和几何形态建立数值分析模型, 采用离散元单元法模拟存在刚性平直断裂的深部围岩的开挖响应, 并分别考察开挖接近并通过断裂附近时围岩应力状态的变化特征。通过探讨断裂的存在对围岩应力状态改变的作用机理, 揭示出断裂型岩爆是开挖面附近一定范围内存在的断裂构造在高应力作用下发生错动, 导致能量突然释放, 对围岩造成强烈冲击作用的结果, 基本与地震的断层“粘滑”机制相类似。     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的; (2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因; (3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征; (4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围; 提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

岩爆与围岩分类

岩爆是高地应力条件下完整脆性硬质围岩失稳的一种表现型式,岩爆烈度如何影响围岩类别尚不清楚,探索岩爆与围岩分类的关系,对准确判别高地应力条件下的围岩类别有着重要意义。本文以某深埋隧洞围岩分类为依据,对我国水利水电地下洞室围岩分类中岩爆烈度与围岩类别的关系、岩爆判别指标的选取等问题进行了探讨。     

可储能原则在一类岩爆问题中的研究和应用

从能量的角度对一类岩爆问题--应变型岩爆进行一些探讨.对此类岩爆能量的来源、能量的去处及能量释放的原因和大小进行了完整的论述.提出了岩体的可储能原则--岩体可存储的能量并非定值,而是随应力状态的变化而改变,当应力发生突变,岩体内实际存储的能量大于可储能时,多余的能量必将以各种形式瞬间释放,其中包括动能.根据此准则对简化了的一维、三维模型进行了详细的分析和计算,并结合离散元软件3DEC再现了三维卸载岩爆的破坏过程.     

爆破扰动下邻近层状围岩隧道的稳定性与振速阈值

爆炸荷载下邻近既有层状围岩隧道的迎爆侧易发生开裂、破坏，确保既有隧道围岩在爆破扰动下的安全是隧道近接施工中的关键问题。基于弹性力学和结构力学原理，建立了既有层状围岩隧道迎爆侧最危险点的简化力学模型，得到了最危险点的应力计算表达式，分析了隧道半径与岩层厚度的比值、岩层的倾角、岩层所对应的圆心角和隧道埋深等因素对既有隧道围岩稳定性的影响规律，并依据岩体最大拉应力判据确定了既有层状隧道围岩稳定的质点临界振动速度，结合地震波传播时的衰减规律，可以得出爆破施工时的最大单响药量，从而为隧道近接爆破动力扰动施工提供理论依据。     

花岗岩晶粒尺寸对岩爆影响的试验研究

为探究晶粒尺寸对硬脆性岩石岩爆的影响，利用真三轴岩爆试验系统，对细中、中粗两种不同晶粒尺寸的含预制圆孔花岗岩开展了岩爆模拟试验。试验结果表明:在相同的加载过程中，细中晶粒花岗岩出现板裂静态脆性破坏，而中粗晶粒花岗岩出现岩爆动力破坏；细中晶粒花岗岩早期声发射活动较弱，大破裂、低主频事件在时空分布上较集中，特征应力较大，而中粗晶粒花岗岩早期声发射活动较活跃，大破裂、低主频事件在时空分布上较离散，特征应力较小，碎屑破碎程度更高。晶粒尺寸对花岗岩的岩爆倾向性具有重要影响，晶粒尺寸较大的硬脆性岩石的岩爆倾向性更强。深部地下岩体工程的岩爆倾向性评价中，除强度和脆性外，晶粒尺寸也是需要考虑的重要因素。     

Dynamic interfacial debonding initiation induced by an incident crack

When a crack propagates towards a weak interface, interface debonding may occur before the incident crack reaches the interface. This phenomenon refers to the “Cook–Gordon mechanism”. In this investigation, an equivalent dynamic Cook–Gordon mechanism is studied both experimentally and analytically. Two strength-based criteria incorporating dynamic fracture mechanics analysis are proposed to predict the initiation location of interface debonding ahead of a dynamic incident crack. As validation, a comparison is made between the analytical predictions and experimental measurements. Results show that the strength-based criteria can effectively predict the initiation of interface debonding. Meanwhile, effects of the stress intensity factor and the T stress of the incident crack, on the interfacial debonding initiation are investigated. It is concluded that high-stress intensity factors of the incident cracks will easily induce interfacial debonding initiation, and changing the T stress is an effective way to control interfacial debonding initiation. Furthermore, high-interfacial tensile strengths rather than shear strengths, tend to suppress interfacial debonding initiation induced by a mode-I incident crack.     

动静荷载对邻近巷道裂纹缺陷扰动的模拟实验

为了探究动静组合应力场作用下邻近巷道背爆侧裂纹缺陷的扩展规律，采用动静加载透射式动态焦散线方法进行了模拟实验，并结合裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率进行了分析。实验结果表明:在动静荷载作用下，邻近巷道背爆侧裂纹缺陷处也成为巷道主要扰动区，且爆炸荷载对背爆侧预制裂纹的起裂起主导作用；p=0.2 MPa时的相同动静组合应力场中，背爆侧预制裂纹的扩展位移差异与裂纹的倾角有关，当θ=75°时，爆炸应力波无法驱动裂纹起裂；在相同爆炸荷载作用下，θ=30°时，较小竖向荷载对裂纹的扩展具有抑制作用，且抑制作用随所施加的竖向荷载增加而增大，当p=0.4 MPa时，裂纹无法起裂；裂纹最终扩展位移，与裂纹尖端动态应力强度因子在极大值上下振荡变化的持续时间，或在裂纹扩展阶段能量释放率积累量，呈正相关。     

MECHANISM AND CATASTROPHE THEORY ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL ROCKBURST

Mechanism of circular tunnel rockburst is that, when the carrying capacity of the centralized zone of plastic deformation in limiting state reduces, the comparatively intact part in rock mass unloads by way of elasticity; rockburst occurs immediately when the elastic energy released by the comparatively intact part exceeds the energy dissipated by plastic deformation. The equivalent strain was taken as a state variable to establish a catastrophe model of tunnel rockburst, and the computation expression of the earthquake energy released by tunnel rockburst was given. The analysis shows that, the conditions of rockburst occurrence are relative to rock's ratio of elastic modulus to descendent modulus and crack growth degree of rocks; to rock mass with specific rockburst tendency, there exists a corresponding critical depth of softened zone, and rockburst occurs when the depth of softened zone reaches.     

基于相似材料的岩爆模型实验及其能量释放机制

岩体的卸载破坏和加载破坏有本质区别,岩爆是高地应力区地下工程开挖卸载产生的地质灾害现象.针对处于高静水压力状态下的岩体,采用松香模型实验研究径向瞬时卸载引起动力破碎型“岩爆”；通过分析动力破碎过程中的速度峰值、卸载波作用时间特征,推导了.应变能及剥落(破碎)块体动能及速度计算公式.结果表明:文中给出的速度峰值和动能计算方法是可行的,剥落(破碎)块体动能仅占可恢复应变能很小部分,大部分能量最终以不同形式耗散掉；距自由面不同距离处的卸载波作用时间大致相等,远大于卸载波的扰动时间；破碎波阵面在介质中推进速度大致为匀速,也远小于卸载波扰动速度.     

Dynamic crack propagation in a magneto-electro-elastic solid subjected to mixed loads: Transient Mode-III problem

The transient response of a Mode-III crack propagating in a magneto-electro-elastic solid subjected to mixed loads is investigated through solving the corresponding boundary-initial-value problem in both the cracked solid region and the interior fluid region with treatment of electro-magnetically permeable and impermeable crack face conditions in a unified way. The closed-form results for the dynamic field intensity factors are used to evaluate the dynamic energy release rate through the crack-tip dynamic contour integral. The permeability of the interior fluid region relative to the cracked solid region significantly affects the magneto-electro-mechanical coupling coefficient in the Bleustein–Gulyaev wave function and, consequently, the horizontal shear surface wave speed, the dynamic field intensity factors and the dynamic energy release rate. It is revealed from dynamic fracture mechanics analysis that the dynamic energy release rate thus obtained has an odd dependence on the dynamic electric displacement intensity factor and the dynamic magnetic induction intensity factor. It is also found that the horizontal shear surface wave speed provides the limiting velocity for the propagation of a Mode-III crack in a magneto-electro-elastic solid when there is only applied traction loading.     

飞网抛射过程母卫星姿态干扰分析与姿态控制

空间飞网是一种新型的空间碎片或漂浮物回收装置. 飞网抛射过程会对母体卫星产生较大的干扰,影响卫星的姿态稳定,因此需要设计具有抗干扰能力的控制律来保证卫星姿态的稳定. 针对空间飞网直接抛射展开过程,分析了影响飞网抛射效果的主要因素,并建立了飞网发射所产生的干扰力矩模型. 针对卫星的控制要求,建立了卫星姿态控制系统的模型,设计了滑模变结构控制器,并给出数学推导过程. 最后,通过仿真对姿态干扰及控制器控制性能进行了分析研究,结果表明,设计的控制器能够保证卫星的稳定,满足设计指标要求.     

定向有机玻璃疲劳断裂性能的频闪法研究

疲劳裂纹扩展前应力集中区域变形场的测试对材料疲劳性能的研究起到至关重要的作用。但由于疲劳试验为动态的过程,在动态下测量比在静态下要复杂得多,这样就给变形场的测量带来了困难。通过调节频闪光源的频率使其与疲劳试验机的频率相同,可把此动态过程转换为准静态过程,采集不同循环周期内的相同时刻的灰度图像,并运用数字图像频域相关分析法进行测试。本文运用此方法对定向有机玻璃缺口应力集中区域的变形场进行了测试,并分析得出其层间疲劳断裂力学性能薄弱的结论。