节理裂隙岩体损伤力学研究中的若干问题

节理裂隙岩体损伤力学的研究与应用有着很好的发展前景。但作为一种经历并隐含了复杂的应力、变形及损伤历史的地质体,节理裂隙岩体在物理、力学特征上较一般工程材料具有更显著的随机性、特殊性和复杂性,因而,在其损伤力学研究中有不少基本的、重要的问题还没有解决。本文根据笔者近年来的研究体会,列举了该研究领域的若干重要问题,并就其可能的解决途径与发展趋势提出了一些初步的看法。损伤力学,节理岩体,岩体力学,损伤,断裂      

节理岩体断裂的损伤与分形效应

本文在岩石断裂的基础上,利用损伤的概念,建立起岩体断裂能与初始损伤的关系,并借助于岩石断裂能与断裂面分形维数的关系,给出了节理岩体的断裂能与断裂面分形维数之间的关系.本法为直接从岩石的断裂参数推出节理岩体断裂参数,提供了一条简捷的途径.     

基于TCK模型的非贯通节理岩体动态损伤本构模型

提出在岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷;基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及力学特征的宏观损伤变量(张量)的计算公式;基于综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量)及完整岩石动态损伤Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型,建立了相应的单轴压缩下节理岩体动态损伤本构模型;利用该模型讨论了节理内摩擦角及节理长度对岩体动态力学特性的影响规律。研究表明,试件动态峰值强度随着节理内摩擦角的增大而增大,随着节理长度的增加而减小。     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

考虑损伤的节理本构模型

本文在弹塑性损伤的理论框架内，讨论了节理等地质间断面的本构模型。这个模型能够反映节理面的损伤弱化，扩容和弹性刚度劣化等复杂特性。这个模型的另一优点是，塑性变形增量与屈服面是非正交的，但本构矩阵具有对称性。这种对称性在岩石力学的理论研究和数值分析中是至关紧要的。     

深部岩体损伤对分区破裂化效应的影响

深部岩体是一种具有初始损伤的非连续介质,其内部存在着大量节理和裂隙.深部岩体分区破裂化效应与节理、裂隙的扩展、连接和汇合密切相关.节理、裂隙的扩展、连接和汇合可能会导致深部岩体的内部空间由欧氏几何空间向非欧几何空间转化.论文利用损伤变量表示含节理和裂隙岩体的损伤,根据非欧几何模型,获得了静水压力和非静水压力情况下深部圆形洞室损伤围岩的应力场,确定了损伤变量对圆形洞室围岩的应力场和分区破裂化效应的影响.采用Mohr- Coulomb准则,获得了静水压力和非静水压力情况下深部损伤围岩的破裂区与非破裂区的分布规律.论文的研究结果为理解深部岩体分区破裂模式提供了有价值的参考.     

一个新的钢筋混凝土损伤塑性模型

为了准确、高效地对拆除爆破工程进行数值模拟,考虑钢筋混凝土受拉刚化效应以及配筋率对受拉刚化效应的影响和受压箍筋约束效应,采用组合模量的方法给出了一个简化的钢筋混凝土本构关系,在LS-DYNA有限元软件中的混凝土损伤塑性模型的基础上,通过参数修改建立新的钢筋混凝土损伤塑性模型模拟来钢筋混凝土。在实验验证的基础上,采用钢筋混凝土损伤塑性等效模型对一双切口钢筋混凝土烟囱延时爆破拆除效果进行数值模拟,数值模拟结果表明该模型可以准确反映烟囱倒塌破坏及运动过程。

     

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.     

裂隙岩体损伤局部化破坏分岔模型及其应用

采用概率统计方法分析节理裂隙岩体的几何特征，定义了反映裂隙岩体几何特征的组构张量．基于不可逆热力学理论，通过裂纹扩展的细观分析，得出了损伤的发展机理和演化方程，把损伤演化和裂隙的几何特征的变化联系起来，建立了弹塑性损伤本构关系．为分析含有节理裂隙岩体在发生局部化破坏时的特征，通过对发生局部化时的裂隙岩体的分析。构造了适用于节理裂隙岩体局部化分析的不连续分岔模型．利用非线性规划数值解法，可以得出局部化破坏的方向特征．在有限元方法中，根据该模型给出了节理裂隙岩体相关的算例，分析表明该模型用于分析裂隙岩体的局部化破坏是有效的．     

基于塑性损伤理论的软泥页岩地层井壁稳定性分析1)

软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-- 应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10% 时,渗流-- 应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。     

深部软岩巷道喷射钢纤维混凝土支护技术

针对深部软岩的基本特征, 提出了深部软岩巷道支护的新思路, 即改变现有的锚喷作业顺序, 并通过在素喷混凝土中掺入适量钢纤维的方法来改善混凝土的整体力学性能, 使之更好地适应软岩巷道大变形的需要。借助数值模拟, 进行了支护方案的对比分析, 并提出了合理的支护方案。     

饱和和非饱和介质的弹塑性损伤模型

针对饱和和非饱和工程材料变形和强度特点,给出了一个具体的弹塑性损伤本构方程,该本构方程可以描述材料性质的劣化过程（即损伤和软化）以及饱和程度对材料变形强度特性的影响。此外,还讨论了该弹塑性损伤本构方程的有限元实施方法,编制了专用的有限元程序。对常规三轴试伯进行了有限元分析,得出了一些具体的结果。     

刚性元方法和块状岩体稳定性分析

本文提出的刚性元方法是一种数值分析方法,它将变形体离散为一些刚性块体(剐性元)和块体之间的可变形薄层(节理元)的组合体,在各种载荷条件下求出块体的运动以及薄层的变形和应力分布。本文联合岩石系统的失稳准则来使用刚性元方法,成功地研究了块状岩体的稳定性问题。计算实例表明,本文提出的方法可以正确地反映块状岩体的失稳机制,是一种合理和可行的岩体稳定性分析手段。     

考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型

为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征,基于水岩作用的化学动力学理论,定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子,将弹性体,非线性Kelvin体,线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联,并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况,建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型,通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证,并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程,探讨中间主应力对蠕变模型的影响.结果表明,推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性,验证了其合理性与准确性.     

节理岩体能量损伤本构模型与工程应用

本文根据Betti能量互易定理,节理岩体能量损伤演化方程,广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了节理岩体的能量损伤本构模型,并将该模型编制成三维非线性有限元计算程序应用于溪洛渡地下厂房洞室群施工开挖稳定性分析,获得了较为满意的计算结果。     

STRENGTH PROPERTIES OF JOINTED ROCK MASSES BASED ON THE HOMOGENIZATION METHOD

This paper aims to determine the strength properties of jointed rock masses by means of the homogenization method.To reflect the microstructure of jointed rock masses,a representative element volume (R...     

改进的节理岩体变形模量经验确定方法及其工程应用

在节理岩体工程的数值计算及稳定性评价中,变形特征参数的选择至关重要。在原位试验受到各种条件无法进行时,经验确定方法不失为一种好的选择。本文在大量收集目前国内外节理岩体变形模量经验确定方法的基础之上,提出了改进的节理岩体变形模量经验确定方法,即“尺寸效应折减”与“节理特征折减”的二次折减法,并应用3个坝址与水电站的节理岩体工程实例进行分析验证,得出了一些有益的结论。     

各向异性损伤力学中的弹塑性分析

提出了一套分析损伤力学问题的各向异性弹塑性理论公式 及其相应的有限元分析.通过对各向同性及各向异性损伤力学的数值算例的分析说明该理论公式的适用性.