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.     

数值仿真在岩石力学教学中的应用

岩石力学作为一个重要的力学分支，是土木工程、水利水电、采矿工程等应用型学科的重要基础。本文首先调研了岩石力学教学中存在的难点，分析了数值仿真技术在教学中的优势。随后，以岩石单轴压缩实验为例，采用图像采集与颗粒流模拟相结合的数值仿真技术，演示了岩石瞬态破坏过程，揭示了岩石在受到外力时的破坏方式和破坏机理。表明了数值仿真技术在岩石力学教学中具有“全尺度、全维度、全时程”等优点。展示了数值仿真技术在描述岩石破坏过程中形象、直观的教学效果。     

考虑温度效应的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石高温作用下的力学特性,对相似材料制备的层状复合岩石进行20℃（室温）,100℃,200℃和300℃热处理,并开展单轴压缩试验获取其物理力学参数。结果表明,随着温度升高,层状复合岩石质量变化率与体积膨胀率呈上升趋势,且在100℃时增幅明显。拟合各力学参数的经验公式发现,峰值强度及弹性模量趋于劣化并呈线性降低,峰值应变与温度成正相关。随着温度升高,层状复合岩石呈剪切–滑移型破坏,单一类岩石由剪切破坏向张拉–剪切破坏转化,破坏时微裂纹数量增多,在300℃时延性特征显著。引入考虑温度效应的岩石本构模型并拟合了不同温度下的应力应变曲线,该模型较好地表征了热处理后层状复合岩石的损伤演化规律及破坏特征,合理地揭示了层状复合岩石高温作用后的损伤机理。     

三角柱直眼掏槽爆破参数研究

通过对三角柱直眼掏槽爆破进行试验研究 ,认为爆破槽腔的形成过程可分成两个阶段 ,即岩石破坏阶段和破碎岩石抛出阶段 ;进而 ,依照岩石压缩破坏与剪切破坏的力学准则 ,导出三角柱直眼掏槽炮眼间距与装药系数的计算式 ;根据计算结果 ,在井下巷道工程实际应用中进行对比 ,证实了它的可靠性。     

冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

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.     

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.     

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。     

岩石力学室内试验技术若干进展

本文讨论了岩石力学室内试验技术的若干进展,主要内容包括:岩石常规力学试验技术、岩石剪切及三轴蠕变试验技术、岩石真三轴试验技术、岩石多场耦合试验技术、岩石声学试验技术、岩石试件的CT实时扫描技术、试验过程的红外线扫描技术以及节理面扫描成像技术等,文章最后对岩石力学室内试验技术的下一步的发展前景做了展望,提出了相应的建议.     

水泥土细观破裂过程的实时观测试验

利用中科院武汉岩土力学研究所的岩石破裂过程细观力学实验系统,对不同水泥掺量的水泥土试件进行了单轴压缩细观实验,该试验系统可通过显微镜和数码视频装置实时观测水泥土试件的细观结构及其破坏的全过程,试验得到了水泥土破裂过程中的细观图像及其相应应力应变关系曲线.分析了不同水泥掺量的水泥土试件的细观破坏特征及其与宏观力学行为的关系,研究为水泥土细观损伤本构模型的建立提供了实验依据.     

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。     

裂隙岩体强度试验单点法及其前景

本文在回顾裂隙岩体强度试验的基础上，用大量原位测试数据对裂隙岩体直剪破坏机理和裂隙岩体直剪破坏的基本规律及其成因进行了深入探讨；总结出一套行之有效的试验技术；给出了裂隙岩体直剪破坏时的充分必要条件并加以量化。     

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。     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

基于3D⁃DIC技术的约束岩石裂缝扩展研究

采用 RMT-301B岩石与混凝土力学实验系统对施加预应力值为峰值强度 20 %、40 %、60 %的泥质白云 岩进行单轴压缩实验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)测试系统观测受约束岩石试样的变形和破坏形 态,研究泥质白云岩在约束条件下的位移场和 Tresca应变场的演化过程．结果表明：(1) 岩石的破坏过程是由 内向外扩展,当应力积累超出岩石承受范围后,岩石出现裂纹,随后裂纹尖端继续扩展,应力也发生了重分 布,岩石内部多组裂纹开始联合扩展、贯穿,直到试件发生完全破坏．(2) 含约束岩石在单轴压缩下一共有轴 向劈裂破坏、沿片理破坏、Y形破坏、共轭剪切破坏四种破坏形态,且以轴向劈裂破坏为主     

岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展

在大坝渗流与控制、各种水工隧洞和交通隧道以及地下各种洞室开挖、采矿工程与油藏开采中的水力劈裂、 岩坡和坝基的稳定性研究等领域中经常会遇到岩体的饱和渗流应力耦合问题.本文对这些领域中的渗流应力耦合问题分为6种力学模型: 等效连续介质模型、 裂隙网络模型、 双重介质模型、 断裂力学模型、 连续损伤力学模型和统计模型.前3种主要从经典的黏弹塑性本构着手考虑, 着重对渗流场的处理, 后3种则是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入, 着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应.对这些模型进行了详细的介绍, 指出了这些模型的优缺点与适用范围, 给出了一些有代表性的研究成果, 并对该研究领域中未来的研究方向进行了展望.     

2021-07期目录

在陈宗基院士关于地下硐室长期稳定性力学问题研究的基础上,采用Sadovsky院士关于复杂地质岩体的等级构造学说,围绕深部岩体非均匀构造与封闭应力固有的统计力学属性,研究了岩体非均匀变形与封闭应力特性,以及深部硐室围岩的长期稳定性等两个力学问题。给出了岩体非均匀构造与封闭应力的数学表征;根据质量守恒定律得到了计算深部硐室围岩长期变形的一般公式;得到了围岩变形中劈裂扩容变形占主要部分的结论,并且阐明了深部围岩卸荷时更易出现劈裂破坏的原因。给出了劈裂破坏形态的演进序列与扩容位移的计算方法。将围岩松动圈范围、破裂区位置和边壁位移的计算结果与锦屏一级电站厂房现有监测数据进行了对比,两者相当吻合。     

含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

基于生物力学中的Wolff法则，发展了一种连续体拓扑优化的新方法. 有待优化的结构 被看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼，把寻找其最优拓扑的过程比拟为骨骼的重建/生 长过程. 采用骨骼的重建/生长规律作为准则更新材料分布，直至达到一个平衡状态并由此 获得结构的最优拓扑. 算例表明了所提出方法的有效性.     

深部岩体圆形巷道围岩松动圈形成机理数值试验研究

采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,探讨深部岩体巷道围岩破坏规律, 利用岩石破裂过程分析软件RFPA$^{\rm 2D}$, 对深部 岩体中的圆形巷道的变形及非线性渐进破坏特征、巷道周边关键部位的位移和应力变化进行 了分析,研究了圆形巷道围岩松动圈的形成机理. 研究表明：巷道开挖后,其周边形成应力 集中带,随着围岩压力的持续作用,巷道周边产生塑性变形区,并沿径向形成裂纹;随着裂 纹的不断扩展,巷道周边出现松动破裂区,即松动圈. 产生破裂区后,应力集中程度减弱, 应力高峰点向远处转移.