考虑应变率及应变梯度效应的断层岩爆分析

从理论上研究了考虑应变率效应及微小结构相互影响的断层带．弹性岩石系统的剪切不稳定性。在经典弹-塑性理论的屈服函数中引入应变梯度及考虑应变率效应的函数。将断层岩爆简化为一维动态剪切问题，利用：局部塑性剪应变的对称性；在断层带的边界上，其应变值为零；断层带的宽度由塑性剪切应变取极值来确定等条件，得到了断层带内部的局部塑性剪切应变及局部塑性剪切位移，二者都随应变率的增加而趋于明显增加。同时，还得到了应变软化阶段系统结构响应的理论表达式。令峰后刚度为无穷大，则可得到岩爆发生的临界加载应变率，该参数不仅与岩石材料的本构参数有关，而且还与岩石结构的几何尺寸(即弹性区域的尺寸)有关。应变率增加使断层．弹性岩石系统容易发生失稳回跳。此外，若不考虑应变率效应，则本文的理论结果可以退化为对断层岩爆的静力分析结果。     

断层岩爆是应变局部化导致的系统失稳回跳

讨论了应变局部化、岩爆及Ⅱ类变形行为的关系，并利用梯度塑性理论得到了4种等效的回跳准则。局部化是岩爆的前兆之一，也是出现Ⅱ类变形行为的原因。利用最小势能原理及梯度塑性理论，可得到系统的失稳判据；利用位移法，可以得到系统的Ⅱ类变形行为。若非弹性剪切位移(或平均塑性剪切应变)的增加快于弹性剪切位移(或平均弹性剪切应变)的降低，将出现Ⅰ类变形行为；反之，将出现Ⅱ类变形行为。弹性区与剪切带宽度的比率越大，或剪切弹性模量与剪切降模量的比率越小，系统越容易失稳。     

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题，断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则，得到了断层带-围岩系统的失稳判据，它不仅与岩石材料的本构参数有关，也与岩石结构的几何尺寸有关，说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于：断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示；而且，断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变，这一点与有关的实际观测结果相符合。     

剪切带-弹性岩体系统的稳定及失稳滑动理论研究

首次应用应变梯度塑性理论对剪切带 -弹性岩体的稳定及失稳滑动进行了理论分析 ,得到了剪应力与剪切带上、下盘相对错动位移的理论关系 ,提出了采用软化段剪应力 -相对错动位移的斜率来评价系统稳定性的方法。研究结果表明 :剪切带上、下盘弹性岩石宽度越大 ,岩石材料剪切带宽度 (或内部长度 )越小 ,剪切弹性模量越小及降模量越大系统越不稳定 ;试验机剪切模量越小 ,岩样 -试验机系统越容易失稳     

基于梯度塑性理论的岩样单轴压缩扩容分析

采用梯度塑性理论，对岩样剪应变局部化引起的扩容进行了理论分析。假设岩石的剪切本构关系为弹性-应变软化双线性，局部化启动于应力峰值强度，利用局部塑性剪应变与局部塑性体积应变的线性关系，得到了局部塑性体积应变、局部塑性体积增量及剪胀引起的剪切带总塑性体积增量的解析式，这体现了该理论在研究剪胀问题时的优越性。另外，还得到了弹性阶段及应变软化阶段的轴向应力-体积应变曲线的理论关系。塑性体积应变是专指由剪切带剪胀而引起的，因而，轴向应力．体积应变不具有尺寸效应，与局部化带的尺寸无关，但扩容角、剪切降模量及泊松比却对该曲线有重要影响。在弹性阶段及应变软化阶段轴向应力-体积应变均呈线性。在相同的应力水平下，扩容角越大则剪胀程度越大；剪切降模量越大，剪胀程度越小。在应变软化阶段，泊松比不影响塑性体积应变。     

含水量对沉积岩力学性质及其冲击倾向性的影响

 通过试验和统计分析系统研究不同含水条件下煤系沉积岩石力学性质及其冲击倾向性,建立岩石力学性质及其冲击倾向性与含水量之间的相关关系和模型,揭示含水量对岩石力学性质及其冲击倾向性的控制机制。研究表明：岩石单轴抗压强度和弹性模量值随含水量的增加而降低;不同岩性岩石单轴抗压强度和弹性模量值受含水量的影响程度不同,降低的速率受岩性所控制。在干燥或较少含水量情况下,应力–应变曲线在峰值强度后岩石表现为脆性和剪切破坏,具有明显的应变软化特性,且随着含水量的增加,峰值强度后岩石主要为塑性破坏,应变软化特性不明显。随着含水量的增加,岩石脆性指标修正值(BIM)逐渐增加,弹性变形指数逐渐减小,岩石在受力过程中储存的弹性应变能随含水量的增加而急剧减少,而消耗的塑性永久变形能相对增加,即岩石的冲击倾向性随含水量的增加而显著降低。     

考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。     

岩样单轴压缩塑性变形及断裂能研究

首先研究了应变软化阶段岩石试件轴向塑性变形。假设局部化开始于峰值强度而轴向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切带的相对塑性剪切位移与应力水平及剪切带宽度有关，剪切带宽度由梯度塑性理论确定。剪切带的相对塑性剪切位移在轴向的分量为轴向塑性压缩位移。研究结果表明：剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率有一定的影响；若剪切带倾角存在尺寸效应，不同高宽比试件的相对应力-塑性变形曲线不是一条严格直线，而是一个狭窄的区域，类似“马尾”。但是，剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率的影响是有限的，峰后应力-塑性变形曲线的斜率基本上是常量，这与前人的一些试验现象相符。然后，研究了单轴压缩条件下岩石试件全部断裂能的尺度律。全部断裂能由峰前断裂能及峰后断裂能两部分构成。在峰值强度前，采用Scott模型描述了材料的非线性弹性特征，得到了峰前断裂能的解析解。结果表明：峰前断裂能与试件的高度有关。在峰值强度后，材料的剪切应力-塑性剪切应变的本构关系为线性应变软化，采用梯度塑性理论计算了由于剪切带塑性剪切变形而消耗的断裂能。目前提出的关于全部断裂能尺寸效应的解析解的正确性被前人的试验结果的线性回归结果验证。增加试件高度，全部断裂能增加。增加弹性模量，全部断裂能降低。若不考虑剪切带倾角及抗压强度的尺寸效应，全部断裂能存在尺寸效应的原因是：峰前的均匀塑性变形。     

基于应变梯度理论的岩石试件剪切破坏失稳判据

研究了由于剪切局部化而引起的岩样系统的失稳判据。将剪切带比拟为“试件”，而带外弹性体则被比拟为“试验机”。岩样系统是否将发生剪切失稳破坏，关键取决于：岩样高度、剪切弹性模量、剪切降模量、岩石材料内部长度参数及剪切带倾角。一旦岩样系统满足Ⅱ类变形的条件，则岩样系统必发生剪切失稳破坏。采用笔者提出的理论公式，可以用来分析和预测矿柱岩爆的倾向性。根据剪切应变梯度塑性理论来分析岩样单轴压缩剪切破坏问题的优越性在于：不仅考虑了局部化带的宽度，得到了局部化带内应变的分布规律，而且局部化带就是剪切带，比较符合岩样单轴压缩破坏的实际情况。     

钻孔卸压防治岩爆实验及破坏特征研究

应变岩爆是在巷道开挖过程中,由于开挖引起围岩应力重分布从而诱发岩爆的现象,对采矿和隧道施工中的人员及设备安全构成重大威胁。利用自主研发的应变岩爆实验系统,开展完整及含不同钻孔数量砂岩试样的应变岩爆实验,运用高速摄影采集岩爆全过程图像,采用声发射、数字散斑等监测手段采集相关数据,以此研究不同钻孔数量条件下砂岩应变岩爆的破坏特征,探讨了在本实验条件下钻孔数量对应变岩爆的影响。结果表明：随着钻孔数量的增加,岩爆剧烈程度降低;声发射累计计数和累计能量值均减少,声发射活动程度降低,表明岩体内微破裂减少;岩爆弹射碎屑的速度及动能下降,岩爆风险等级由强烈岩爆降低,弹射碎屑破碎程度降低;岩爆时刻岩样竖直向和水平最大位移增加,变形能力提高。通过实验证明钻孔卸压措施对岩爆灾害具有良好的防治效果。     

岩样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论,局部化带的尺寸由特征长度确定,得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明:剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比,其比例系数与剪切带倾角有关;轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量;当流动应力为0时,剪切带消耗的能量达到最大值;轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;增加剪切带倾角,侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力,剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸,因此,不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”,将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论,可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩三剪应力统一强度理论解

为了研究渗流、应变软化和扩容对巷道围岩稳定性的影响,首先根据三剪应力统一强度理论建立了平面应变状态下的屈服方程,将巷道围岩从外往内依次划分为弹性区、塑性软化区、破碎区,然后综合考虑渗流影响、应变软化、扩容以及塑性软化区和破碎区内弹性应变的2种情况,推导了各个区应力、位移以及塑性软化区和破碎区半径的三剪应力统一强度理论解,最后探讨了塑性软化区和破碎区弹性应变不同取值、孔隙水压力、软化模量、扩容系数对巷道围岩塑性软化区、破碎区位移和半径的影响。研究结果表明:1)应优先采用由广义胡克定律即情况2来确定塑性软化区和破碎区弹性应变比较合理;2)孔隙水压力对塑性软化区、破碎区位移和半径影响显著;3)软化模量对塑性软化区半径无影响,对塑性软化区和破碎区位移影响很小,对破碎区半径影响显著;4)不同扩容系数对塑性软化区半径无影响,对塑性软化区和破碎区位移、破碎区半径影响显著,应采用非关联流动法则对扩容进行分析。     

考虑应变软化、剪胀和渗流的水工隧洞解析解

基于统一强度理论和弹脆塑性软化模型,考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化、剪胀和渗流等综合影响,推导了圆形水工压力隧洞应力和洞壁位移解析解。通过工程算例,比较本文方法与传统方法的不同,说明考虑第一主应力的变化和渗流体积力更符合工程实际,并得出统一强度理论参数、软化特性参数和剪胀特性参数对隧洞切向应力和洞壁位移的影响特性。隧洞设计时,应依据围岩材料特性合理地选取统一强度理论参数,并考虑由于软化特性参数和剪胀特性参数的减小对隧洞切向应力和洞壁位移增大的影响。该结果为圆形水工压力隧洞弹塑性分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。