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。     

不同采深煤(岩)体岩爆过程模拟分析

为了研究不同采深条件下诱发的岩体变形、岩爆、凸出和塌落特征,对采深120m~820m,间隔100m的8种工况开采后岩体破坏进行模拟。结合能量守恒理论和ΔU=Ue-U0来确定岩爆后由弹性势能转化为动能的ΔU。使用三维岩体爆破颗粒流模型将ΔU按照一定规则转化为岩爆飞石动能。模拟了各工况下开采后岩体变化情况,结果表明,采深为120m,220m和320m三种工况下不发生岩爆;420m开始发生岩爆;520m和620m在发生岩爆的同时也伴随开采面岩体凸出;720m和820m时具有岩爆、凸出和塌落现象。同时总结了岩爆特点,特别是提出岩爆是岩体系统为了保持自身能量平衡而向系统之外释放能量的过程。     

弱动力扰动对花岗岩圆形隧洞岩爆影响的试验研究

为探究弱动力扰动对岩爆的影响，利用高压伺服动真三轴试验机，对含预制圆形贯穿孔洞的红色中粗晶粒立方体花岗岩试样进行弱动力扰动荷载条件下的岩爆模型试验，模拟隧洞洞壁围岩的岩爆弹射破坏过程，并采用声发射系统和视频观测系统对其进行监测、记录。基于无扰动、高应力下开始施加扰动和低应力下开始施加扰动3种加载路径的试验数据，从岩爆弹射破坏、岩爆坑破坏形态、声发射信号特征及岩爆烈度4个方面，详细分析弱动力扰动条件下的岩爆特征。研究结果表明:弱动力扰动会降低洞壁围岩发生岩爆时所需要的应力水平，增大岩爆破坏发生的范围。高应力下开始施加的扰动荷载会促进最终岩爆快速发生；而在低应力下开始施加的扰动荷载，岩爆的发生过程较为缓慢。相比与静应力条件下的岩爆，高应力下开始施加扰动触发的岩爆更剧烈，低应力下开始施加扰动触发的岩爆剧烈程度较弱。这主要是因为在高应力下开始施加的扰动对能量释放起到了激发和放大的作用，低应力下开始施加的扰动对能量释放仅起到激发的作用。     

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。     

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。     

浙江苍岭隧道岩爆工程地质特征分析与防治措施研究

根据在浙江苍岭隧道施工中发生的岩爆,通过现场地质观测资料,具体地分析了其形成的规模、位置、诱发因素以及地质条件,从地质工程的角度,对岩爆发生地段隧道的岩石组成、地质构造、地应力特征以及地下水情况进行了探讨,发现在苍岭隧道施工中发生岩爆的岩石具有岩体结构面发育适中、弹性模量大、P波波速高、地质构造简单、现代水平构造应力强且主压应力轴σ1大角度相交于隧道中轴线和地下水不发育的特征,并在此基础上,提出了掌子面喷水、布设释放地应力锚杆、减少隧道壁聚能结构等有效的岩爆防治措施。     

雅砻江锦屏一级水电站坝址区实测地应力与重大工程地质问题分析

本文对雅砻江锦屏一级水电站坝址区Ⅱ1-Ⅱ1及其前后剖面实测地应力进行了系统整理分析。分析结果表明:在相同的水平和垂直埋深条件下左岸坡角应力大小较右岸坡角小,这主要是由边坡岩体结构确定的;左岸导流洞开挖过程中在应力大小较右岸低的情况下出现坍塌工程地质问题也与左岸边坡岩体结构有关,而非岩爆等诱发。另外对左岸岩体深部裂缝在已有研究成果的基础上从应力集中、能量积累角度初步提出了新的边坡变形破坏方式,并从岩体结构和地应力大小方面对锦屏一级水电站工程建设过程中左、右岸应注意的工程地质问题提出了初步建议。     

基于能量原理的大规模地下爆炸不可逆位移计算方法

岩体是复杂的等级构造地质体,在高地应力作用下,因摩擦和粘结作用,内部封存能量,可看作具有内部能量源和能量汇的介质。基于岩体块系构造, 对岩体在扰动下的运动积分和等效动能进行分析,提出了在高地应力赋存环境中岩体受爆炸地震波扰动下的等效地冲击能量因子,并给出了大规模地下爆炸诱发远区局部不可逆范围的计算公式。与G.G.Kocharyan等基于块体运动分析给出的计算公式比较表明,本文中提出的计算理论物理过程清晰,更具有适用性。     

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。     

基于统一相场理论的锂电池电极颗粒断裂模拟研究

锂电池充放电过程中, 锂离子的脱出和嵌入会引发电极颗粒的不均匀体积变化和机械应力. 上述锂离子扩散过程诱发的应力与电极颗粒的尺寸大小、截面形状和冲放电速率有关, 可能会导致电极颗粒出现裂缝起裂、扩展甚至断裂等力学失效, 对锂离子电池的容量和循环寿命等性能产生不利影响. 为准确模拟并预测电极颗粒的力学失效过程, 在笔者前期提出的统一相场理论框架内进一步考虑化学扩散、力学变形和裂缝演化等耦合过程, 建立化学–力学耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法, 并应用于二维柱状和三维球体锂电池电极颗粒的力学失效分析. 由于同时涵括了基于强度的起裂准则、基于能量的扩展准则以及基于变分原理的裂缝路径判据, 这一模型不仅适用于带初始缺陷电极颗粒的开裂行为模拟, 而且适用于无初始缺陷电极颗粒的损伤破坏全过程分析. 数值计算结果表明, 相场内聚裂缝模型能够模拟锂离子扩散引发的电极颗粒裂缝起裂、扩展、汇聚等复杂演化过程, 可为锂离子电池电极颗粒的力学失效预测和优化设计提供有益的参考.      

微粒填充流变材料界面开裂的局部临界应力及尺寸效应的理论分析

研究了以等轴粒子填充流变材料的边界开裂机理，采用能量准则导出了以界面能表示的界面开裂局部临界应力的简洁表达式。由于临界应力正比于１√α，从而可以非常方便地研究粒子开裂的尺寸效应，以碳酸钙微粒填充的聚丙烯复合材料为例进行了理论分析，通过比较界面开裂的能量准则和张应力准则得出结论：即使按照保守的方法估算，即在界面强度等于基体强度的条件下，只要粒径不超过０．２微米，若能量准则得到满足，则张应力准则也会得     

Energy storage in fluid saturated porous media subjected to oscillatory flow

Transient thermal effects in a porous medium subjected to oscillatory flow of hot and cold fluid are studied. The governing equations of thermal non-equilibrium model have been numerically solved by a finite difference scheme. The amplitude of temperature fluctuation, a parameter relating to the energy storage, is seen to vary significantly with distance and time. The storage of energy is largely governed by fluid to solid phase thermal storage capacity ratio. Effects arising from changes in bed parameters are discussed.     

Theoretical analysis on the local critical stress and size effect for interfacial debonding in particle reinforced rheological materials

The mechanisms of interfacial debonding of particle reinforced rheological materials are studied. Based on an energy criterion, a simple formula of local critical stress for interfacial debonding is derived and expressed in terms of the interfacial energy. The particle size effect on interface debonding can then be analyzed easily owing to the fact that critical stress is inversely proportional to the square root of particle radius. By taking PP/CaCO₃ system as an example, the present energy criterion is compared with the mechanical debonding criterion, and it is found that under the condition that bond strength is equal to matrix strength and particle radius not over 0.2μm, the mechanical debonding criterion can be automatically satisfied if the energy criterion is satisfied. A relation between critical time and interface energy is calculated by using the energy criterion. The influences of the particle volume fraction and the parlicle size, the loading rate and the relaxation time of the matrix on the critical time of interfacial debonding are also discussed. Supported by the National Natural Science Foundation of China (19632030 and 19872007) and Natural Science Foundation of Jiangsu Province.     

铝蜂窝-铅复合阻尼器的试验研究

提出一种铝蜂窝-铅复合阻尼器,设计了2种类型的6个不同参数阻尼器试件,通过低周循环试验研究了其力学性能,揭示它的工作原理和耗能机制,分析了不同参数阻尼器的等效阻尼比、最大剪应力、存储剪切模量、骨架线等性能参数。结果表明,铝蜂窝-铅复合阻尼器具有屈服位移小、变形能力大、工作性能稳定与耗能性能好等特点,同时具有造价低廉、构造简单、安装方便的优点。相对A型阻尼器,B型阻尼器变形能力大,工作稳定,耗能性能优越。对于阻尼器的等效阻尼比、最大剪应力和存储剪切模量等参数,铝蜂窝/铅复合体的方向、高度和孔棱大小影响较大,复合体的片数影响很小。     

Optimal Transitions of a Spacecraft with an Energy Storage and a Low-Power Thruster

A solution is found to the problem on optimal transitions of a spacecraft with a low-power thruster and an energy storage between two close noncoplanar circular orbits. The maximum payload is chosen to be the optimality criterion. The optimal time-dependences of controls and optimal relationships among the mass parameters of the propulsion system are presented. Ranges of these parameters are found within which an energy storage would be appropriate for use. The results are compared with those for a constant-power thruster. The effect of the radial increment and the increment in the orbit inclination angle on the efficiency of the energy storage is studied     

陶瓷基复合材料基体唇形裂纹失效规律研究

建立横向拉伸载荷下的唇形裂纹数学模型,采用复变函数的方法,通过保角映射,推导了唇形裂纹尖端应力场和位移场的解析解,建立了唇形裂纹的应力强度因子准则和最大能量释放率准则,结合算例分析陶瓷基复合材料基体唇形裂纹的几何参数、外载荷和纤维分布对失效准则的影响规律.结果 表明,(1)裂纹尖端应力场和位移场的解析解与有限元计算结果进行对比,验证了方法的有效性;(2)相较于Griffith裂纹和椭圆裂纹,基于唇形裂纹的失效准则对裂纹尖端的敏感性更高,适用于预测脆性陶瓷基体裂纹的扩展;(3)对于不同几何参数的唇形裂纹,采用最大能量释放率准则的基体裂纹的扩展速率要大于应力强度因子准则.     

Strength or toughness? A criterion for crack onset at a notch

Both energy and stress criteria are necessary conditions for fracture but neither one nor the other are sufficient. Experiments by Parvizi et al. on transverse cracking in cross-ply laminates corroborate this assumption. Thanks to the singularity at the tip of the notch, the incremental form of the energy criterion gives a lower bound of admissible crack lengths. On the contrary, the stress criterion leads to an upper bound. The consistency between these two conditions provides a general form of a criterion for crack nucleation. It enjoys the desirable property of coinciding with the usual Griffith criterion to study the crack growth and with the stress criterion for the uniform traction along a straight edge. Comparisons with experiments carried out on homogeneous notched materials and on bimaterial structures show a good agreement.     

Initiation of cracks with cohesive force models: a variational approach

In the spirit of the variational approach of Fracture Mechanics initiated in [Del Piero, G., 1997. One-dimensional ductile-brittle transition, yielding and structured deformations. In: P. Argoul, M. Frémond (Eds.), Proceedings of IUTAM Symposium “Variations de domaines et frontières libres en mécanique”, Paris, 1997, Kluwer Academic] and [Francfort, G.A., Marigo, J.-J., 1998. Revisiting brittle fracture as an energy minimization problem. J. Mech. Phys. Solids 46 (8), 1319–1342], we define the loss of stability of the elastic response of the body as the criterion of initiation of cracks. The result is very sensitive to the choice of the surface energy density. On one hand, if we adopt the Griffith assumption, then the elastic state is generally always stable. On the other hand, in the case of a surface energy of the Barenblatt type, i.e. a surface energy depending non-trivially on the jump of the displacement and inducing cohesive forces, the elastic response remains stable only if the stress field does not reach a critical value. In the full three-dimensional context of an isotropic material, we prove that this yield stress criterion is equivalent to a maximal traction criterion and a maximal shear criterion if the surface energy density is Fréchet differentiable at the origin. When the surface energy density is only Gâteaux differentiable, we obtain a yield stress criterion based on an intrinsic curve in the Mohr diagram. In any case, the domain of the admissible stress tensors is convex, unbounded in the direction of the hydrostatic pressures and depends only on the extreme eigenvalues of the stress tensor.