能量耗散与释放原理在水压致裂法中的运用

在内变量不可逆的热力学理论框架下,从能量的角度出发,讨论了水压致裂测试中岩石变形破坏中的能量耗散、能量释放与岩石强度和破坏的内在联系.同时基于能量耗散与释放原理推导出水压致裂法测量地应力岩体破坏时的临界应力公式,并应用上述公式结合水压致裂第一循环对某抽水蓄能电站地应力测量中的最大水平主应力进行计算,其计算值与传统理论计算值比较接近,表明所给出的临界应力公式是合理的.     

岩石变形破坏过程中的能量传递和耗散研究

岩石变形破坏的过程是和外界产生能量交换的过程.从理论上分析了用能量方法研究岩石破坏问题的合理性,以及岩石在变形过程中弹性能、塑性能、表面能、辐射能、动能之间相互转化的过程、计算原理、以及对岩石破坏所起的不同作用.并分别从宏观和微观的角度研究了在不同的变形阶段中岩石能量耗散与释放问题.在宏观上,岩石变形前期以弹性应变能的方式存储外界提供的能量,同时又通过损伤演化等向外界耗散能量;变形的后期以剧烈的能量释放为主.微观上,存在多种引起岩石应变硬化和应变软化的机制,岩石存储能量还是向外界释放能量取决于这些微观机制竞争的最后结果,基于此推导了岩石变形中能量的传递方程,用试验研究了能量的转化和平衡,以及耗散能和释放能之间的比例关系.结果表明能量耗散导致岩石强度的降低,而能量释放是造成岩石灾变破坏的真正原因.从能量耗散与释放的观点研究岩石的破坏,可以从本质上把握岩石变形和破坏的物理机理,寻找岩石破坏的真正原因,为实际工程提供参考.     

基于能量原理的岩爆机理及应力状态分析

讨论了岩石破坏与能量耗散、能量释放的内在联系.基于能量原理,指出了岩爆发生的机制与特点,证明岩爆是发生在储存有高弹性应变能的硬脆性岩体中的地质灾害.结合圆形洞室围岩应力分布,分析了发生岩爆的地下洞室围岩的应力状态及相应的灾变位置.     

基于均匀设计法的水压致裂模拟试验优化研究

水压致裂技术作为一种绝对应力测量方法广泛地运用在原地应力测量领域,在其测量过程中影响岩石破裂值的流体力学影响因素主要是压裂液的注液速率、黏度和密度等,因此应开展流体力学影响因素的室内模拟试验,定量分析各因素对于原地应力测量准确度的影响。由于因素数量较多且该试验对于岩芯试块为破坏性试验,因此试验设计较为复杂且次数较多,全面试验或正交试验方案将严重影响试验实际操作和试验效果。本文在理论分析流体力学因素对于裂缝扩展和破裂压力影响基础上,提出一种基于混合水平均匀设计方法的水压致裂模拟试验优化方案,根据压裂液的注液速率、黏度和密度等影响因素及其参数值（水平数）构建均匀试验设计方案,利用DPS数据处理软件获取最优混合水平的均匀设计表,然后根据最优均匀设计表选择不同流体力学参数的典型点进行试验。最后将试验结果与部分全面试验结果进行对比分析,证明优化试验的岩石破裂值均处于全面试验测量区间内,印证了不同流体力学因素对于岩石破裂值的影响效应。本文中优化算法试验方案通过较少的试验次数简化了试验流程,试验次数仅为正交试验的四分之一,因此显著提高了水压致裂多影响因素模拟试验效率,对于后续建立不同流体力学影响因素的破裂压力修正公式与补偿模型提供了一种快速有效的试验方法,对原地应力进一步精确测算具有一定的积极意义。     

岩芯饼化的临界地应力及岩饼厚度与地应力的关系

本文用试验和电算的方法,找出了单向水平地应力在岩芯中波及的范围和分布规律,得出了应力释放后岩芯中残留应力范围的空间壳体曲面,作出了岩芯中贮存残留应力的体积为“台体”的假设,推导出了岩芯饼化的临界地应力公式和地应力与岩饼厚度的关系式。应用这两个公式,可以求得任何岩石饼化的单向水平临界地应力和任何岩芯饼化地区地应力的大小。本文用推导的公式,计算出了二滩电站坝区正长岩的临界地应力和岩芯饼化地层的地应力。     

水压致裂的实验研究

近年来,水压致裂技术已经发展成一种岩体应力量测方法。水压致裂法量测岩体应力的优点就在于不需要套取岩芯,不需要使用精致的钻孔装置去量测一个点的应变。为了研究岩石水压致裂机理,验证水压致裂理论,笔者进行了岩石试件及模型的水压致裂实验研究。本文介绍了实验所使用的装置、实验结果及其分析。     

单轴压缩荷载下含黏结面花岗岩能量演化研究

为探究能量演化在含黏结面不完整岩石受载过程中的规律,选取带有矿物质黏结斜面的花岗岩进行单轴循环加卸载压缩试验,同时在试验过程中进行声发射检测.得到以下结论:"有效能比"(累积弹性能/输入岩石的总能)可以作为岩石储能水平的表征,也可间接反映岩石内部结构随应力状态的改变;从整个加载过程来看,黏结面部位破坏的声发射释能短促、强烈,峰值强度时声发射持续时间较长,但声发射释能率相比黏结面破坏时较低;应力水平较低时,卸载过程中一般不会有声发射现象或声发射现象基本可以忽略,但当应力水平达到一定值时,即花岗岩积聚的弹性能超过了黏结面部位破坏的耗散能时,花岗岩在卸载时会发生短促、强烈的脆性破坏;由于声发射能量属于耗散能的一部分,定义"声发射检测效率"(声发射累积能量/累积耗散能),对于本次试验对象而言,"声发射检测效率"在压密阶段降低,弹性阶段升高,黏结面局部破坏时达到峰值,之后直至峰值强度该值呈现持续降低趋势;从能量角度分析,卸载破裂所对应的应力水平低于加载强度,但不应低于与峰值强度时耗散能大小相等的弹性能所对应的应力水平.     

基于神经网络与遗传算法的地应力识别优化研究

针对井下存在地应力测点相对较少,量测结果离散,计算非线性等问题,研究将神经网络与遗传算法应用于地应力测量中。利用BP神经网络代表矿井水压致裂的压力值和地应力参数之间的非线性关系,通过实际工程样本对神经网络进行训练,从而保证了网络预测的准确性。结合万福矿区工程实例,利用遗传算法识别出该矿井井下的地应力,通过与理论计算结果对比,验证了该方法应用于地应力识别是可行的、可靠的和方便的,在类似工程中具有一定的实用价值。     

基于能量特征的脆性岩土材料广义拉伸损伤模型

损伤变量及其演化方程是损伤本构理论研究的核心问题,当前岩土材料的损伤演化方程多是通过经验假定或试验拟合的方法得到的,缺少必要的理论依据。本研究定义损伤变量为材料受荷变形过程中的能量耗散量与破坏时的临界能量耗散量之比,结合Lemaitre应变等价性假设,从材料损伤过程中的能量平衡原理出发,推导了具有理论依据的损伤演化方程表达式,从而建立了适用于脆性岩土材料的广义拉伸损伤本构模型。通过试验和数值计算结果对比表明模型能够较好的反映单轴拉伸过程中的应力应变关系和应力跌落现象。对不同加载条件下的应力应变关系计算表明:广义拉伸状态下,脆性岩土材料的抗拉强度随侧向压应力的增大而减小,随侧向拉应力的增大而先增加后减小。     

大理岩破坏起裂应力及断裂能特征试验研究

根据大理岩常规三轴试验数据,探讨不同围压下大理岩破坏的起裂应力和起裂断裂能变化规律.大理岩起裂应力位于峰值应力的53％～76％之间,随围压升高向峰值强度逐渐逼近.起裂断裂能与围压、峰值强度呈正线性关系.起裂应力对应的声发射能量计数率出现突跳,起裂点之后声发射能量计数率和累计释放能量增加速度明显变快,理论计算求得的起裂点和声发射监测数据吻合较好.大理岩常规三轴破坏符合Mogi-Coulomb强度准则.     

Energy dissipation of cavity expansion based on generalized non-linear failure criterion under high stresses

Based on the compression mechanism for analyzing the cavity expansion problem in soil under high stresses, generalized non-linear failure criterion and large strain and energy conservation in plastic region during the cavity expanding were adopted. The energy conservation equation was established and the limited pressure of cavity expansion under high stresses was given based on the energy dissipation analysis method, in which the energy generated from cavity expansion is absorbed by the volume change and shear strain caused in soil. The factors of large strain and dilatation were considered by the proposed method. The analysis shows that the limited pressure is determined by failure criterion, stress state, large deformation characteristic, dilatation and strength of soil. It is shown from the comparison that the results with the proposed method approximate to those of the in-situ method. The cavity expansion pressure first decreases and then increases nonlinearly with both of shear modulus and dilatation increasing.     

Response and energy dissipation of rock under stochastic stress waves

The response and energy dissipation of rock under stochastic stress waves were analyzed based on dynamic fracture criterion of brittle materials integrating with Fourier transform methods of spectral analysis. When the stochastic stress waves transmit through rocks, the frequency and energy ratio of harmonic components were calculated by analytical and discrete analysis methods. The stress waves in shale, malmstone and liparite were taken as examples to illustrate the proposed analysis methods. The results show the harder the rock, the less absorption of energy, the more the useless elastic waves transmitting through rock, and the narrower the cutoff frequency to fracture rock. When the whole stress energy doubles either by doubling the duration time or by increasing the amplitude of stress wave, ratio of the energy of elastic waves transmitting through rock to the whole stress energy (i.e. energy dissipation ratio) is decreased to 10%-15%. When doubling the duration time, the cutoff frequency to fracture rock remains constant. However, with the increase of the amplitude of stress wave, the cutoff frequency increases accordingly.     

Damage and fragmentation of rock under experiencing impact load

1 INTRODUCTIONThe dynamic fragmentation of brittle materialsexperiences an extremely complex process ,invol-ving micro-cracks nucleation,propagation and coa-lesce , which breaks the solid into fragments . Butthe process canfall into two successive phases gen-erally : damage stage and fragmentation phase .The most widely applied theoretical models of theprocess , such as those based on the pioneeringstudies of Grady[1], Glenn et al[2],involve sometype of relatively si mple global energy ba…     

Criterion of local energy release rate of gob instability in deep mines considering unloading stress path

The stress path characteristics of surrounding rock in the formation of gob were analyzed and the unloading was solved. Taking Chengchao Iron Mine as the engineering background, the model for analyzing the instability of deep gob was established based on the mechanism of stress relief in deep mining.The energy evolution law was analyzed by introducing the local energy release rate index(LERR), and the energy criterion of the instability of surrounding rock was established based on the cusp catastrophe theory. The results show that the evolution equation of the local energy release of the surrounding rock is a quartic function with one unknown and the release rate increases gradually during the mining process.The calculation results show that the gob is stable. The LERR per unit volume of the bottom structure is relatively smaller which means that the stability is better. The LERR distribution showed that there was main energy release in the horizontal direction and energy concentration in the vertical direction which meets the characteristics of deep mining. In summary, this model could effectively calculate the stability of surrounding rock in the formation of gob. The LERR could reflect the dynamic process of energy release,transfer and dissipation and that provided an important reference for the study of the stability of deep mined out area.     

从耗散率函数看黏性与塑性间的内在联系

利用热力学的基本定律和内应变率空间中的最大Homilton耗散率原理,建立了黏性和塑性相统一的广义黏弹性本构理论.利用凸分析数学理论,阐明了内应变率空间中的最大Homilton耗散率原理等价于内应力空间中的最大Lagrange耗散率原理.当Homilton耗散率函数为内应变速率的一次欧拉齐次函数时,材料的黏性特性退化为塑性特性,最大Lagrange耗散率原理退化为Hill最大塑性功原理,因此,塑性是材料广义黏性的一种特例.选取不同的自由能函数和耗散率函数,利用最大Homilton耗散率原理和最大Lagrange耗散率原理,建立了准Maxwell模型、准Kelvin模型和准临界状态黏弹性模型,证明了广义Von Mises屈服准则、广义Von Mises线性运动硬化屈服准则和魏汝龙临界状态屈服准则是准Maxwell模型、准Kelvin模型和准临界状态黏弹性模型当耗散率函数为一次欧拉齐次函数时的特例.通过数值算例和图可以直观地验证上述结论的可靠性.     

通口水电站冲沙底孔廊道压力和消能问题的试验

通口水电站是以发电为主,采用混合开发方式的综合性水利枢纽工程,坝高73.5 m。本文结合水工模型试验成果,论述了通口电站冲沙底孔的过流能力和流量系数,研究了冲沙底孔体型布置对廊道压力、消能防冲及电站尾水等的影响,提出了改善冲沙底孔廊道压力和改善消能防冲条件的工程措施,该研究成果已被设计采用。     

深部圆巷开挖围岩能量耗散特征数值模拟分析

深部高应力巷道岩爆灾变机理及其控制对策研究,是目前国内外采矿工程所急待解决的重点难题.应用UDEC计算程序,分析了深部圆巷随开挖半径大小、应力水平高低和应力不均匀程度,围岩内主应力分布和能量耗散特征,发现随应力水平由低至高和应力不均匀程度的加剧,巷道围岩能量耗散值和能量耗散率均成凹形特征曲线急增;随开挖半径由小至大,能量耗散值成凹形曲线急增,但能量耗散率变化却很小;随着应力水平不均匀程度的加剧,在巷道围岩内部形成的主应力差值封闭包核区,呈现由围岩浅部向围岩深部跃移现象;当水平应力大于垂直应力时,在巷道顶板产生主应力差值封闭包核区的范围和量值大小,相对于巷道两帮更为严重.     

基于能量分析的复阻尼模型结构抗震性能

由于当前动力分析中所使用的阻尼模型无法描述结构内未知的材料非线性能量耗散,基于应力相关复阻尼理论,推导出多自由度复阻尼系统的震动能量方程,研究了复阻尼模型的结构震动响应和材料能量耗散规律,计算了构件和结构的时变材料损耗因子.研究结果表明,在地震总输入能量中,材料阻尼耗能占很大比例,并随时间单调增加,结构的材料阻尼耗能及其变化率、动能、应变能均随着能量输入的增加而增加.通过对损耗因子的计算表明,与传统方法相比,采用时变形式而非常数形式的材料损耗因子能够更精细地体现材料阻尼效应.