基于弹性应变能D-P强度准则修正

针对D-P强度准则存在的拉剪区偏大及不具备应力角效应等不足之处,为使其更符合岩石的屈服(破坏)机制,从弹性应变能角度对D-P强度准则进行修正,开展如下工作：为便于研究将弹性应变能分为偏量弹性应变能与张量弹性应变能之和,并分析各能量对材料破坏影响;研究D-P强度准则的物理意义及其不足之处产生的内在原因,并基于此建立广义D-P强度准则,总体上可较好地反映岩石的破坏特性,并能较好地解决拉剪区偏大及应力角效应等问题。对4种不同岩石的破坏强度进行计算,结果表明：广义D-P强度准则计算结果较为精确,该准则突破材料破坏时泊松比恒为0.5传统假设,对于准确定量地描述岩石破坏特性具有重要意义。     

应用弹性力学原理求解发生岩爆的强度准则

阐述了岩爆是高地应力环境岩石地下空间围岩积聚的应变能突然释放所引起的动力失稳现象,通过对弹性力学原理及强度破坏准则的研究,并借助于弹性力学中平面问题的极坐标解答,从而导出岩爆发生的条件。     

基于弹性应变能岩爆倾向性评价方法研究

 岩爆是深部矿产资源开采与地下工程建设中必须解决的关键科学问题之一。以岩石强度与整体破坏准则为基础,从弹性应变能是岩爆发生的内在动力出发,建立了岩爆烈度分级预测模型。研究表明：该模型考虑了原岩应力(地应力)、岩体完整性、岩石抗拉强度及泊松比对岩爆影响,反映了岩爆发生的力学要求、脆性要求、完整性要求及储能要求;揭示了岩爆既可沿洞室中心呈轴对称分布,也可揭示洞室不同部位的岩爆烈度会出现明显不同。针对无、弱、中等及高岩爆活动4个级别,提出了3个分级界限值(3、10和110)。利用已有的岩爆经典模型与本文模型,对国内一些重大深部岩石工程岩爆情况进行了预测,结果表明基于弹性应变能岩爆分析模型与实际情况吻合的较好。因而,弹性应变能的岩爆分析模型,对岩爆预测具有重要的意义。     

考虑张拉–剪切渐进破坏的边坡强度折减法研究

针对边坡渐进破坏过程中局部岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想弹塑性模型,提出一种考虑张拉–剪切渐进破坏的强度折减法。从劣化函数、破坏判据、折减系数、滑动面显示和折减范围等方面对该方法进行研究;以极限塑性应变作为边坡点破坏准则,将破坏点从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体破坏判据;基于弹塑性计算的初应力法,提出一种边坡张拉–剪切全滑动面定量显示指标I_(cs)。结果表明,应变软化模型所得塑性区明显小于理想弹塑性模型,考虑张拉破坏的边坡安全系数偏于危险;I_(cs)指标能同时显示并区分边坡潜在滑动面的张拉与剪切部分。该基于应变软化模型的计算方法进一步完善了边坡稳定性分析的强度折减法理论。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

太平驿隧洞岩爆特征及防治措施

本文根据太平驿隧洞在施工期间记录到的大小４００多次岩爆的资料,总结了该隧洞的岩爆特征。测定了花岗岩的变形和强度指标,并做了声发射试验。花岗岩的全应力－应变曲线具有第Ⅱ类的性质,建议用释放的弹性能和消耗的非弹性能之比作为这种岩石的岩爆判据。另外,还提出了防治岩爆的一些工程措施。     

锦屏二级水电站深埋完整大理岩基本破坏方式及其发生机制

 通过对锦屏二级水电站隧洞工程的现场调查,针对深埋完整大理岩,归纳并分析其在隧洞开挖后的4种基本破坏方式及其发生的机制：(1) 拉张型板裂化岩爆：洞壁围岩因开挖卸荷发生拉张型板裂化,同时岩板积聚弹性应变能,当应变能积聚到一定程度时,岩板由于受扰动突然失稳释放应变能形成岩爆。(2) 拉张型板裂化片帮：洞壁围岩发生拉张型板裂化,岩板向洞内发生内鼓弯折,最后岩板失去支撑,在重力作用下垮塌脱离母岩。(3) 剪切型岩爆：洞壁围岩首先形成潜在剪切楔形体,楔形体积聚弹性应变能,当潜在剪切面上的剪应力超过岩体的抗剪强度时楔形体被突然抛出形成岩爆。(4) 剪切型片帮：先形成剪切楔形体,楔形体逐渐与母岩分离,并在重力作用下垮塌脱离母岩。实际工程中,4种基本破坏方式可单独发生也可组合发生,且拉张型破坏的发生频率高于剪切型破坏。锦屏二级水电站深埋完整大理岩基本破坏方式的归纳,对深入认识深埋完整硬岩的力学行为具有重要的工程实际意义。     

岩爆弹射破坏过程的试验研究

 利用自主研发的真三轴岩爆刚性试验机,对粗晶粒花岗岩试件开展应变型岩爆弹射破坏过程试验研究。设计不同的加载与卸载路径,模拟能量集聚驱动型与应力集中驱动型2类岩爆的弹射破坏过程,在借助高速摄像系统对岩石碎块弹射过程进行影像记录与速度测量的基础上,分析岩爆弹射破坏过程的特征与规律。研究结果表明：(1) 岩爆弹射破坏过程可概括为颗粒弹射、劈裂成板、剪切成块、板折弹射4个阶段;(2) 弹射破坏后的岩样母体具有二元破坏形态,即临空面出现V形或台阶状的岩爆坑,而岩身内侧出现贯穿性剪切裂缝;(3) 加载速率对应力集中驱动型岩爆具有重要影响,在0.05～2 MPa/s加载速率范围内,弹射动能随加载速率增大而增大;(4) 峰前集聚的弹性应变能足够大且能量输入速率足够大是岩样发生应力集中驱动型岩爆的基本条件;(5) 无论是能量集聚驱动型岩爆,还是应力集中驱动型岩爆,弹射动能占岩样峰前可释放弹性应变能的比例不足1%。     

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。     

自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究

为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明:饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归关系可用以主应力表达的Coulomb强度准则表征;岩溶灰岩试样的似软化系数及其降低速率均随围压增加而减小。从能量角度对2种状态试样损伤破坏过程中的能量特征进行试验研究,结果表明:饱水状态试样吸收的总应变能U,峰前储存的可释放应变能eU及二者随轴向应变的增加速率均小于自然状态的对应值;随含水量增加eU/U逐渐下降,峰后eU释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的eU释放率较大;峰值应力处试样各应变能随围压线性递增,2种状态下耗散能差值随围压的变化是试样破坏形式差异的内在原因;岩溶灰岩试样全过程能量实时演化过程具有阶段性,2种状态下压密和弹性变形阶段耗散能差别细微,但进入屈服阶段后,饱水状态试样耗散能增加更快。     

自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究

 为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归关系可用以主应力表达的Coulomb强度准则表征;岩溶灰岩试样的似软化系数及其降低速率均随围压增加而减小。从能量角度对2种状态试样损伤破坏过程中的能量特征进行试验研究,结果表明：饱水状态试样吸收的总应变能U,峰前储存的可释放应变能 及二者随轴向应变的增加速率均小于自然状态的对应值;随含水量增加 逐渐下降,峰后 释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的 释放率较大;峰值应力处试样各应变能随围压线性递增,2种状态下耗散能差值随围压的变化是试样破坏形式差异的内在原因;岩溶灰岩试样全过程能量实时演化过程具有阶段性,2种状态下压密和弹性变形阶段耗散能差别细微,但进入屈服阶段后,饱水状态试样耗散能增加更快。     

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。     

不同开挖方式下即时型和时滞型岩爆的孕育特征比较

针对深埋圆形隧洞,计算2种不同开挖方式下围岩的开裂范围及裂纹扩展长度,分析围岩开裂过程中的能量耗散规律,并采用可释放弹性应变能指标,判定岩爆发生的等级和位置。研究结果表明:与隧道掘进机开挖引起的准静态卸荷相比,钻爆法开挖诱发的瞬态卸荷加剧了围岩开裂效应,导致开裂过程中能量耗散值增大,使得开挖卸荷后围岩可释放弹性应变能减小,发生时滞型岩爆的风险降低;但由于受瞬态卸荷过程中能量高聚集特性的影响,可释放弹性应变能提高,钻爆法开挖发生即时型岩爆的风险增大。     

岩石统一能量屈服准则

不同于金属材料,岩石材料由于具有内摩擦特性而表现出明显的Lode角效应等特点,其屈服过程不仅与广义剪应力有关,还受静水压力的影响。为建立适用范围更广、更符合岩石屈服机制的屈服准则,开展如下主要工作：综合考虑岩石材料屈服时的剪切滑移和法向压密机制,将与屈服相关的能量划分为3个复合滑动面的剪切应变能之和与体积应变能,并给出相应的计算公式;几种不同性质的岩石试验结果表明,岩石屈服时的2种能量近似符合线性关系,基于此,建立岩石统一能量屈服准则,总体上它可较好地描述岩石材料的屈服特性,如子午面上的曲线形态、Lode角效应等;通过对常用的岩石屈服准则进行对比分析,指出统一能量屈服准则是多种常用岩石屈服准则的一般形式;分别采用统一能量屈服准则、三剪能量屈服准则、Mohr-Coulomb屈服准则、Drucker-Prager屈服准则、双剪强度理论、Hoek-Brown准则和Murrell准则对3种不同性质岩石的屈服强度进行计算,结果表明统一能量屈服准则的计算结果比较精确(尤其是在高围压和高静水压力条件下),并且分析统一能量屈服准则产生上述结果的本质机制,探讨岩石材料屈服时剪切应变能为定值的传统假设近似成立的条件。所建立的岩石统一能量屈服准则突破了岩石材料屈服时剪切应变能为定值的传统假设,通过分析体积应变能对岩石屈服的影响规律,在屈服准则中合理地考虑体积应变能的影响因素,这对于准确地定量分析岩石材料的屈服特性具有重要意义。     

应变速率对大理岩力学特性影响的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统,对细晶大理岩试样在应变速率2×10－5～5×10－3 s－1范围内进行了6级应变速率下的单轴压缩试验,分析应变速率对大理岩应力速率、峰值强度、弹性模量、弱化模量、峰值应变、泊松比、积聚能、释放能以及破裂形式等力学性质的影响。研究结果表明,不同应变速率下单轴压缩过程均经历压密、弹性、屈服和破坏4个阶段。应力速率与应变速率的对数可以用指数形式描述;大理岩的峰值强度与应变速率呈正相关,可采用二次多项式进行描述;大理岩的弹性模量、弱化模量和峰值应变受应变速率影响不大,泊松比与应变速率呈指数关系;试验过程中试样峰值前积聚能量、峰值后释放能量与应变率呈正相关,表明应变率越高微裂纹扩展越严重。在应变速率低于5×10－4 s－1时,试样以剪切破坏为主,随着应变速率的增加,试样破坏模式从局部剪切失稳破坏向全面剪胀失稳破坏转变,在高应变速率下更容易形成锥形破坏。研究结果能够对岩爆防治和工程抗震设计提供一定参考。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

基于非线性储能与释放特征的煤冲击倾向性指标

煤的冲击倾向性是煤矿冲击地压灾害发生与否及致灾程度的重要影响因素,冲击倾向性指煤积聚应变能并产生冲击破坏的性质,因此,峰值强度时刻弹性能量积累是冲击倾向性评价的关键。因煤富含结构缺陷,破坏过程和能量演化更加复杂,针对此种煤样峰值强度时刻弹性能量无法准确求得的难题,对标准煤样进行单轴循环加卸载试验,以获取煤样不同应力状态下弹性应变能积累量,发现弹性应变能积累与应力–应变曲线变化趋势一致,在峰值强度时刻达到最大值。能量输入、弹性能量积累及能量耗散随煤样受载变形呈非线性演化规律,但在任一时刻应力的平方与弹性能量积累表现出良好线性关系。基于此改进峰值强度时刻弹性能量积累量计算方法,更加准确获取试件峰值强度时刻弹性应变能积累量。进一步提出综合考量煤体强度、能量演化及破坏时间的有效弹性能释放速率指数K_(ET)评价煤的冲击倾向性,并结合现有指标给出冲击倾向性分类临界值。最后采用远场碎屑质量占比w及平均粒径d_a表征的煤样破碎程度验证评价结果合理性。研究结果表明:K_(ET)可有效解决现有各项指标评价结果离散性大且相互之间存在冲突的局限性;冲击倾向性K_(ET)评价结果与煤样破坏状态对比,发现K_(ET)与w及破碎程度正相关,与d_a负相关,评价结果更符合实际。     

三轴循环荷载作用下页岩能量演化规律及强度失效判据研究

基于不同围压下三轴循环加、卸载试验和能量原理,研究页岩吸收轴向应变能1U、积聚和释放可释放弹性应变能eU、塑性变形及裂隙扩展消耗损耗能dU和径向膨胀变形消耗径向扩散能3U的能量转化全过程特征,揭示其受载过程的能量演化规律,建立基于能量突变的岩石强度失效判据。研究成果表明:不同围压下的页岩三轴循环加、卸载全过程,能量演化行为相似,体现为峰前以能量积聚为主,破坏过程发生能量释放和能量耗散,峰后残余强度下重新开始积聚能量,但能量积聚能力和效率不如峰前。岩石破坏阶段,可释放弹性应变能eU沿主裂隙大量释放,破裂岩块沿主裂隙发生位移和摩擦,消耗大量损耗能dU,径向应变3?显著增大,径向扩散能3U大幅增长。与峰前相比,峰后残余强度阶段可释放弹性应变能eU和损耗能dU的量值水平大幅下降但总体保持平稳,径向扩散能3U显著增加。围压对峰前各能量参数的分配比例影响不大,对峰后残余强度下岩石的能量积聚能力有一定提升作用。页岩和红砂岩的弹性能耗比K在峰前阶段随轴向应变的增加缓慢减小,期间变化平稳,在岩样发生强度失效时,拐点出现,增长速度突然增大,产生突变。     

双向加载煤岩破坏过程能量演化机理及强度准则

为明确煤岩双向受载强度和破坏过程的能量演化机理,通过单轴试验测定煤岩力学参数,并利用颗粒流与Fish程序相结合获得煤岩的细观力学参数,进而研究双向加载条件下煤岩强度和破坏过程能量演化机理。研究得出:中主应力对煤岩应力-应变屈服段影响显著,对峰后段基本没有影响且应力-应变曲线没有延性特征,表明双向加载下煤岩峰后不具有脆性—延性的转化特性;弹性应变能经历先增大后减小的过程,约在极限应变的1/2处增速最大,峰后弹性应变能以同一速率快速减小;中主应力越大,煤岩耗散能随轴向应变增大的速率加快,但在较大中主应力作用下内部损伤一旦出现便会迅速发展,导致煤岩突发破坏,而较小中主应力作用下煤岩破坏相对缓变;双向加载下煤岩破坏的弹性储能极限不随中主应力发生变化,为一定值,且峰值时弹性应变能与吸收总能量的比值和耗散能与吸收总能量的比值也为定值;基于最大储能极限导出的能量强度准则物理意义明确,能从本质上反映双向加载煤岩破坏的综合因素,能很好地描述煤岩破坏应力之间的关系。     

狭窄煤柱岩爆的突变理论分析

基于简化的狭窄煤柱岩爆分析模型和功、能增量平衡关系，导得狭窄煤柱岩爆的突变模式属折迭突变模型。该突变模型的平衡方程和平衡路径所展示的全部性态，可对煤柱以岩爆形式破坏和渐进形式破坏过程中包括系统稳定性在内的所有主要行为作一一对应的描述。首次给出的岩梁弹性能变化(释放)率曲线包含了丰富的信息量，对理解岩梁-煤柱系统在各阶段的行为规律有着重要的作用。能量输入率，J=0是系统失稳的临界条件，其表达式中蕴涵了Cook刚度判据，故可视为Cook判据能量形式的动态推广。