剪切过程中岩石节理粗糙度分形演化及力学特征

在系统测量和试验的基础上，研究了剪切过程中岩石节理粗糙面的分形特征和岩石节理的力学行为，阐述了岩石节理面分形维数Ｄ和截距Ａ与岩石节理在载荷作用下法向、切向变形以及抗剪强度之间的关系，得出岩石节理在剪切过程中由于表面损伤而引起的表面分维Ｄ和截距Ａ的演化规律。研究表明：分维Ｄ和截距Ａ是描述节理面粗糙性的两个重要的参数。前者反映节理粗糙面的不规则程度，后者则与节理面粗糙体（ａｓｐｅｒｉｔｉｅｓ）的坡度密切相关。仅依据分形维数Ｄ不足以确定岩石节理的粗糙性与岩石节理力学行为之间的关系。在许多情况下，岩石节理的力学性质对截距Ａ的依赖程度大于对分维Ｄ的依赖程度     

弹性纵波入射粗糙节理面透射性能研究

 针对应力波穿过节理面产生的衰减现象,研究节理面的几何形状、法向刚度对应力波的透射性影响。根据节理面几何特性设计6种模拟节理面粗糙程度的节理模型,用UDEC软件模拟一维弹性纵波的入射问题。计算结果表明,节理面的粗糙程度、法向刚度对弹性波的透射系数影响很大,节理面越粗糙,法向刚度越小,弹性波衰减程度越大,弹性波的波速降低越快。     

分形截距对应力波能耗影响规律的试验研究

 分别进行粗糙断裂面的扫描试验和节理花岗岩的冲击动力学试验,探讨节理面的几何构型特征及其对应力波能耗的影响规律,建立当分形维数满足条件2.0≤D≤2.2时分形截距与应力波穿越节理时截距贡献能耗比之间的定量关系。研究结果表明,当分形维数在区间2.0≤D≤2.2时,分形维数对总能耗比的贡献仍然占绝对的主导地位,但此区间内分形维数对总能耗比贡献是一常量,总能耗比的增量由分形截距决定。节理岩石的截距贡献能耗比随分形截距的增大而减小,两者间呈非线性关系;机制分析显示,分形截距大,则对应剪切刚度大,在相同的冲击荷载条件下,剪切位移则相应较小,冲击过程所做功则较小,耗散的应力波能量也相应越小。从微观角度看,节理岩石的分形截距大,冲击加载工程中,发生微小塑性变形、断键、分子间撞击的几率将大大降低,因而耗散的应力波能量也越小。     

岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究

基于不规则的人工岩石节理经历不同剪切变形历史的剪切试验，分析了岩石节理剪切变．形特性及与变形历史的依存关系。结果表明，岩石节理峰值和残余剪切应力随垂直应力的增加呈线性增长趋势，而剪胀特性已变得不明显。两类节理面在经历不同垂直应力下的剪切变形历史后，剪切应力均不再出现尖峰；而不同剪切变形历史主要影响节理的剪切强度，对剪胀特性影响较小。     

不规则柱状节理岩体常规三轴压缩力学各向异性试验研究

利用3D打印技术制备绿蜡不规则柱状节理网络模型，以白水泥浆作为类岩石模型材料，一次浇筑成型制备具有7种不同倾角的模拟不规则柱状节理岩体试件，通过对其进行常规三轴压缩试验，得到不规则柱状节理岩体强度和变形各向异性规律及其典型破坏模式。试验结果表明：不规则柱状节理岩体偏差应力峰值强度、变形模量和侧向应变比呈现中等～高各向异性，且围压对其各向异性显著程度影响较大；不规则柱状节理岩体典型破坏模式包括沿柱状节理面发生的“Y”型共轭剪切破坏、部分通过柱体，部分通过柱状节理面的劈裂破坏、沿柱状节理面的剪切滑移破坏和沿柱体的压裂破坏四种。在此基础上分析了3D打印绿蜡不规则柱状节理网络对不规则柱状节理岩体力学各向异性的影响。     

非线性法向变形节理对岩体电磁辐射传播 的影响研究

 为了明确非线性节理对岩体电磁辐射传播过程中强度的影响,从压电效应机制出发,给出含石英等压电介质岩体在应力波作用下所产生的电磁波与入射应力波之间的关系。并依据两者之间的关系及应力波在非线性节理面的透反射解,获得应力波作用下岩体电磁辐射强度变化与节理参数之间的关系表达式。同时,研究节理的变形和入射波频率对电磁辐射强度的影响。结果表明,在震源中心,电磁辐射强度最大,随传播距离发生衰减。电磁辐射强度随节理变形增大而增大;并且随着传播距离的增大,高频电磁信号衰减比低频信号衰减要快得多。     

岩石节理的分形描述

本文给出了６种节理的分形量测方法，讨论了岩石节理粗糙性的分形描述，ＪＲＣ和分形维数的关系，以及分维对节理抗剪强度和节理摩擦角的影响。可以说，分维能定量地刻画节理的粗糙性，并有可能用来预测节理抗剪强度和节理摩擦角。     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

 高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。     

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。     

岩石爆破作用的分形研究

应用分形理论，研究了岩石（体）性质对爆炸应力波传播的影响，分析了正交异性岩石（体）内的爆破作用及破裂效果。将岩石（体）内的缺陷（空隙）作为一种损伤，由其分形维数推导出空隙率与爆炸应力波峰值随距离衰减的关系，空隙率作为岩石（体）的一个重要参数，直接影响岩石（体）的力学和变形性质，将这一参数引入爆炸应力波峰值随距离的衰减，较好地体现了岩石（体）力学和变形性质在爆破载荷中的作用。本文还对正交异性岩石（体）两个方向的爆炸应力波衰减进行了比较，给出两个特征方向炮孔合理间距的定量关系，为工程爆破参数设计提供了依据     

节理岩体强度的分形统计分析

岩体中存在大量节理、裂隙，导致岩体力学性能弱化。基于岩体节理断裂扩展和剪切滑移2种失稳破坏机制，运用分形和统计断裂力学方法探讨了2种破坏方式下节理岩体的统计强度。结果表明，岩体强度与岩体中节理分布的分形维数密切相关，分形维数增大导致岩体强度非线性降低。     

不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中传播规律模型试验研究

 通过模型试验研究不同地应力下应力波在节理岩体中的传播规律,同时考虑节理数量的影响,并推导地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程。首先,通过导爆索产生爆炸应力波,监测不同位置的应力,研究地应力下节理岩体中应力波传播的衰减组成,并分析地应力以及节理数量对应力波衰减的影响,其次,考虑地应力对非线性节理模型的影响,结合时间递归分析法,得出地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程,并将计算结果与试验数据进行对比分析。研究结果表明,高地应力下,爆炸应力波在节理岩体中传播时,其衰减主要由岩石材料和节理两部分分别引起的衰减叠加组成,随着地应力增加,节理岩体对应力波的衰减增强,其中岩石材料对应力波的衰减作用加强,而节理引起的衰减减弱。     

应力波穿越分形节理时的透反射规律研究

 为探讨应力波穿越不规则节理时的透反射规律,先借鉴分形损伤理论,建立分形损伤本构关系;在此基础上,基于线性位移不连续体模型,引入分形损伤本构,推导应力波穿越非规则节理时透反射系数的解析解,给出透反射系数与分形维数间的理论表达式。通过激光表面仪对节理进行扫描试验,分析节理面的分形几何特征,采用SHPB节理岩石冲击动力学试验手段,探讨应力波穿越单一分形节理时的透反射规律,并将解析解与试验结果进行对比分析,研究结果显示,透反射系数的试验值与理论值之间误差较小,表明所建立的分形损伤本构关系与推导的应力波穿越分形节理的解析解是正确的。     

节理密度对围岩变形及破坏影响的试验研究

采用相似模型试验和岩土工程数字照相变形量测软件,研究了深埋应力场中不同断续节理密度的岩体在开挖条件下巷道围岩破裂区的产生与扩展机理,分析了围岩破坏和碎胀变形的发展规律及其对巷道稳定性的影响。研究表明:岩体中节理密度对岩体的承载能力影响很大。与节理岩体相比,完整岩体在破裂前可以承受较大的弹性变形;节理岩体即使与完整岩体具有相同的承载能力,但其稳定性及变形量却有区别,完整岩体的变形量更小、稳定性更好。产生相同的围岩破裂区,岩体中节理越密集需要的应力越低,反之亦然;在相同的应力作用下,岩体中节理越密集,表明岩体越破碎,产生的围岩破裂区就越大,围岩碎胀变形也越大,导致工程的稳定性越差;因此,岩体中断续节理的密度控制着围岩的稳定性。     

岩质边坡抗震稳定性的能量方法研究

 地震荷载作用下边坡失稳判据是岩土力学研究的热点和难点,综合运用极限分析和波动理论,从功率角度出发,提出外力功率等于内能耗散的岩质边坡能量稳定性评价方法。借助强度折减法和超载系数法,通过安全系数对单节理边坡进行定量化安全性评估。以P波倾斜入射单节理边坡为例,首先,研究边坡的自稳临界高度和应力波入射节理透反射基本规律;其次,在边坡临界自稳高度范围内,研究应力波作用下边坡临界高度的动态变化情况;最后,根据外力功率等于内能耗散的判断准则,通过强度折减法和超载系数法,分析动荷载作用下单节理边坡动态安全系数的变化,计算块体极限滑动时所需的能量。研究表明：边坡节理面的黏聚力越高,其自稳临界高度越高,动荷载作用下边坡动态临界高度也越高,抗震性能也越好;随着入射P波峰值强度的增大,边坡动态临界高度降低的幅度也增大;随着入射角度的不断减小,边坡动态临界高度变化的幅度不断增大,表明地震作用下边坡破坏的可能性不断增大;边坡动安全系数的变化趋势与透射应力的变化趋势相反;边坡的高度越高,块体越不稳定,其极限滑动时所需的能量也越少。     

岩体轴向抗压强度与变形尺度效应的节理分布影响

 采用相似模拟材料,用预置硫酸纸模拟试件节理,研究5种分形节理岩体的轴向抗压强度和变形的尺度效应,获得同一尺度下岩体强度和变形随节理分形维数变化的试验数据。在分析强度与变形受尺度和节理分布维数单因素影响规律的基础上,建立二维影响关系经验公式。试验结果表明,岩体强度和变形模量均随尺度和节理分形维数的增加而降低,泊松比则随尺度和分形维数增加而增加;试件破坏的总体规律是随尺度和节理分形维数增加,岩石的延性增加,但破坏过程与方式受节理分布的控制。     

Failure behavior of highly stressed rocks under quasi-static and intensive unloading conditions

Unloading failure of rocks, especially highly stressed rocks, is one of the key issues in construction of underground structures. Based on this, analytical models for rocks under quasi-static and intensive unloading conditions are established to study the failure behavior of highly stressed rocks. In case of rock failure under quasi-static unloading, the rock mass ahead of working face is regarded as an elasto-brittle material, and the stress–displacement curves are used to characterize the tensile fracture of peak-stress area. It is observed that, when intensive unloading happens, there is an elastic unloading wave (perturbation wave) propagating in the rock mass. If the initial stress exceeds the critical stress, there will be a fracture wave, following the elastic unloading wave. To study the propagation feature of fracture wave, the conservation laws of mass, momentum and energy are employed. Results show that the post-peak deformation, strength and energy dissipation are essential to the failure process of highly stressed rocks.     

基于能量法测量节理岩体品质因子的实验研究

品质因子是衡量岩体中应力波衰减特性的一个重要参数。利用分离式霍普金森压杆实验系统对含人工节理花岗岩试样进行单轴冲击压缩实验,研究节理吻合系数(JMC)对岩体试样品质因子的影响。首先,根据品质因子基本概念得出了利用应力波能量计算品质因子的方法,并证明在试样严格满足应力均匀条件时,其与应力–应变曲线方法是等价的。然后,用三波法得到了节理试样的应力–应变曲线,同时用应力波能量方法计算了品质因子。实验结果表明:随着节理吻合系数(JMC)降低,应力–应变曲线滞回环面积增加,节理岩体试样的动态割线模量和品质因子均减小,说明节理接触面积减小弱化了整个试样并且使试样能量耗散能力增加。