卸荷条件下岩石平行偏置双裂隙的扩展规律研究

岩质边坡中存在着大量的非贯通断续节理,对于开挖扰动下的边坡岩体强度及破坏模式起着重要的控制作用。为了研究边坡岩体在开挖扰动下内部节理裂隙的细观扩展规律,基于叠加原理与Kachanov法,推导了卸荷条件下平行偏置双裂隙的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了多种因素对裂隙间相互作用的影响规律,最后对含平行偏置裂隙的类岩试件进行了卸荷试验,结果表明:①主次裂隙间的裂隙错距或岩桥长度愈小、主裂隙长度愈大,裂隙尖端处的相互作用变化愈剧烈;②随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端张拉破坏的趋势愈发明显,而剪切破坏趋势减弱;③裂隙间的岩桥长度越大,应力强度因子放大系数受裂隙倾角的影响越敏感。通过对比理论上不同试件在侧向卸荷条件下的裂隙轴向起裂应力与试验测得的实际起裂应力发现,两者相对误差均在4.7%以内,证明了利用提出的理论方法计算裂隙的临界起裂应力是合理可行的。通过本研究揭示的卸荷条件下平行偏置双裂隙的扩展规律,可对露天矿节理岩质边坡在开挖过程中的细观破坏机制提供一定的理论依据。     

裂隙介质静动应力条件下的破坏模式与局部化渐进破损模型研究

裂隙岩体动力稳定性问题相当突出。已有大量关于节理裂隙几何特征对岩体静变形、静强度性质影响的室内模型试验研究，然而对岩体动力特征的研究至今大都还是针对完整岩石样的室内试验进行的。针对岩体工程中最常见的非贯通裂隙岩体(而不是完整岩样)及岩体工程中特有的动荷特征，对静、动荷载作用下裂隙岩体代表性体元RVE的破坏模式与变形、强度特性开展了系统的室内模型试验研究，从细观上分析了其破坏机理，从宏观上提出了适用于工程实际的模型与公式。主要内容如下：     

压力分散型锚索单元锚体间的应力影响

压力分散型锚索中作用在各单元锚体上的应力会相互影响,应力影响表现之一是在荷载传递方向会出现应力叠加现象。应力叠加程度因孔壁岩体对注浆体的侧向变形约束力的强弱而不同,坚硬岩体中这种约束力较强,应力叠加现象不显著,软弱岩体中这种约束力较弱,应力叠加现象较为显著。其二,这种影响还表现在承载体处诱发了拉应力,即张拉荷载通过承载体的承压板给单元锚体施加压力的同时,也给相邻锚体施加了拉力。该拉应力若达到了该处材料的抗拉强度,会在该处出现张拉裂纹,对锚索防腐不利。为克服应力影响对工程的危害,建议在坚硬岩体中优化单元锚体长度,以免出现张拉裂纹;在软弱岩体中应根据应力叠加效应最严重的单元锚体上的应力来验算浆体强度,以避免浆体的受压破坏,并控制剪应力在浆–岩界面的容许抗剪强度范围内。     

岩石细观结构量化试验研究

岩石是一种多尺度材料,以往的研究大多是在宏观尺度下进行的,由于岩石在外部荷载作用下的断裂乃至破坏是由于处于细观尺度的微裂隙的增长和贯通引起的,所以对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于了解和研究岩石的力学性质有一定的意义.首先,基于损伤理论建立一套岩石细观量化试验方法,利用扫描电镜对四川锦屏大理岩进行观测,得到大量岩石细观结构图片.基于数字图像处理理论,利用区域生长算法对图片进行处理,并编制相关程序实现图像增强和图像分割,从分割后的二值化图像中提取微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等细观信息.然后,利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行统计分析,得到各参数的统计规律,进一步利用Monte Carlo理论模拟岩石细观结构体积表征单元.最后,依据几何损伤理论得到岩石细观结构体积表征单元的初始损伤张量,将其引入到G.Swoboda的损伤理论中,模拟得到单轴压缩试验和常规三轴压缩试验的应力-应变关系,并与实际试验的结果进行比较.结果显示可以较准确模拟2种力学状态下的应力-应变关系.     

流固化学耦合作用下裂隙岩体渗透特性研究进展

从物理试验和数学模型研究两方面介绍和总结了近10多年来渗流–应力–化学溶蚀耦合作用下裂隙岩体渗透特性的研究现状。目前无论是物理试验还是数学模型研究,都还是主要利用宏观均匀化的方法来研究裂隙岩体渗透特性变化规律、及其与各影响因素（如应力、温度、渗透流体酸碱度、溶质浓度等）之间的宏观关系,但这种宏观均匀化方法还存在很多不足：如难以表述由于溶蚀作用岩石孔隙结构的细观变化,也难以表述渗流通道的形成和发展过程等。因此认为进一步深入开展以下3方面的研究将更有利于揭示复杂地质环境下裂隙岩体渗透特性机理：控制和量测技术一流的耦合渗流试验设备的开发以及现代无损探测技术引入（实现细观的实时的观察图像和数据）、数字岩芯技术的开发、建立微观－细观－宏观不同尺度的多物理化学场耦合的数学模型与分析方法。     

多级时效荷载下双裂隙砂岩变形与破裂特征试验研究

 实际工程中,岩体在进入最终应力状态前会经历多级时效荷载的作用。为研究该荷载下裂隙岩体强度、裂纹扩展和变形特征等的变化规律,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展多级时效荷载下的三轴压缩试验。试验结果表明：多级时效荷载下,3种不同裂隙组合试样的强度较常规压缩均有一定程度的降低,陡缓和陡陡裂隙岩体的强度均在起裂强度?ci和扩容应力?cd之间。裂纹扩展特征方面,在相同应力路径下,随着围压的增大,裂隙岩体的破坏呈现更强的剪切性质;缓缓裂隙组合岩体的破坏形式主要受裂隙本身的分布形态所控制,受应力水平和加载路径的影响较小,在试验中均以裂隙岩桥直接贯通发生破坏;相同围压条件下,陡缓和陡陡裂隙组合岩体在时效荷载作用下的破坏较常规压缩下的破坏表现出更强的张拉性质。利用Burgers蠕变损伤模型分析各岩体间的关系,指出岩体间变形的差异主要由裂隙特征导致的初始损伤差别和岩体处于不同强度区间而导致的不同时效损伤引起,为建立岩体时效损伤模型的进一步研究提供了参考。     

冻结岩体单裂隙应力场分析及热–力耦合模拟

 我国寒区分布面积广泛,岩体冻融损伤问题涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合,严重威胁着寒区岩体工程的安全稳定。在考虑水分迁移的条件下,以水冰相变为切入点,结合断裂力学、弹塑性力学理论,分析冻胀荷载作用下饱和岩体裂隙应力场分布规律与尖端应力强度因子。考虑温度对冻结率的影响,采用等效热膨胀系数法模拟冻胀荷载,运用FLAC3D软件建立单裂隙冻胀热–力耦合模型,编制FISH程序进行计算,得出冻胀作用下裂隙附近应力场分布,并与理论值进行对比分析。     

温降对液化石油气储库围岩裂隙开裂影响的数值分析

 从单条裂隙入手，将出露于低温LPG不衬地下储库洞壁的主裂隙简化为带边缘裂纹半无限板分析模型，将洞壁附近未出露的主裂隙简化为靠近自由边缘内置裂纹的半无限板分析模型。首先分析在温度降低过程中岩石物理力学参数随温度变化对裂隙扩展的影响；其次分析温度边界类型、降温程度、降温速度、裂隙与洞壁夹角对不同长度裂隙的温度场、应力场和裂尖应力强度因子的影响，以探求降温导致裂隙扩展的机制；最后作为一种尝试研究，利用叠加原理考虑在裂隙温度降低时地应力对裂纹扩展的抑制作用，分析以原有裂隙不扩展为条件时存储介质温度与地应力的关系。     

高拱坝坝肩裂隙岩体的三维非线性抗震稳定性分析

在高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性分析中 ,采用传统刚体极限平衡法分析坝肩裂隙岩体潜在滑体的安全性态 ,坝肩稳定性评价未考虑裂隙岩体变形对坝体应力的影响 ,由此计算的抗滑安全系数并不能保证坝体的安全性 ;而采用基于连续介质理论的有限元法和基于碎散介质的离散单元法分析时 ,其物理数学模型和坝肩岩体的实际情况相距甚远。为此 ,本文在安全系数强度储备概念基础上提出了动抗滑变形安全系数法 ,该方法以坝体拉应力作为坝肩岩体抗滑稳定性评价标准 ,综合考虑非线性坝体和坝基节理、裂隙岩体的动静态耦合作用 ,坝肩岩体的抗滑安全系数保证了坝体的安全 ,较传统的分析方法更为科学、合理。采用该方法 ,本文将坝肩裂隙岩体作为可以考虑局部开裂、各向异性和大变形的非线性连续体用动态接触单元模型模拟 ,对在建的小湾高拱坝坝肩裂隙岩体的抗震稳定性进行了三维动力分析。数值分析结果表明 ,在综合考虑坝体应力影响后 ,坝肩裂隙岩体的变形安全系数小于强度安全系数。因此 ,在高拱坝坝肩岩体的抗震稳定性评价中必须计及坝体应力的影响因素。     

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。     

基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究

 利用MTS815岩石力学试验机和PCI-II声发射三维定位实时监测系统对取自锦屏II级水电站交通辅助洞的含自然裂隙大理岩岩样进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合AE振铃数实现对不同空间分布类型自然裂隙时空演化过程的精确定位和追踪。试验结果表明：含自然裂隙大理岩岩样受压破坏过程中的局部渐进特征显著,AE累计数曲线的上升与试验的加载过程和岩样内部的应力调整关系密切;单一型和平行型自然裂隙空间分布形式相对简单,在压应力水平较低时AE大事件(振铃数＞20)随着压应力的渐增沿自然裂隙面展布,当压应力接近峰值强度时,AE大事件在裂隙面末端部位大量集聚,并朝着最终的实际破裂方向扩展;含交叉型自然裂隙岩样体内的AE大事件在初始压密阶段分布相对均匀,但随着压应力的持续增加,裂隙面附近的AE数量逐渐增加,并向裂隙面的交叉部位集聚;混合型自然裂隙结构最复杂,但仍不难根据AE大事件的空间分布确定岩样内部的软弱部位及相应的应力场变化规律。以上试验和分析结果对于深入研究岩体破裂失稳机制具有一定的意义,也可为现场微震监测提供指导。     

岩体地震动力破坏问题研究

 研究岩体在地震动力作用下的破坏机制需要结合岩石力学、工程地质、地震工程、地震学等诸多学科。本文首先简要评论了岩石动力学的研究现状，然后对两种主要的动荷载——爆破和地震进行对比，通过对地震波产生的动应力和岩体强度特性的比较，认为岩体在地震动力作用下主要是拉张破坏和结构面破坏，并提出了岩体地震动力破坏的极限深度，最后讨论了地应力和地形对岩体地震动力破坏的重要影响。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

类岩石裂纹压剪流变断裂与亚临界扩展实验及破坏机制

进行双轴压缩条件下类岩石裂纹的压剪流变断裂实验,采用双扭试件的常位移松弛法对类岩石材料进行亚临界裂纹扩展与断裂韧度试验。在实验室尺度上证实了类岩石裂纹流变断裂现象的存在,并且得到了翼形裂纹–翼形裂纹贯通、翼形裂纹–原生裂纹贯通和翼形裂纹–翼形裂纹–剪切裂纹贯通的 3 种流变断裂贯通模式。类岩石材料的流变断裂是一种稳定的裂纹扩展,其本质原因是类岩石裂纹的亚临界扩展。以黏弹性断裂力学、流变力学和能量准则为理论依据,推导以应力强度因子、翼形裂纹长度和时间为内变量的相应势函数,建立多种破坏机制的 压剪岩石裂纹的流变断裂 判据和计算模型。 利用 流变断裂 实验对计算模型进行验证,得出裂纹流变 贯通的 理论时间与实验时间较为吻合,当翼形裂纹的扩展方向与最大压应力方向偏离较大时实验结果与理论模型误差较大。提出的计算方法和理论判据为研究岩石裂纹的流变断裂的细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新而实用的研究手段。     

破裂砂岩蠕变试验研究

 为了认识破裂砂岩蠕变特征,利用MTS815岩石力学试验系统,对永川煤矿T3xj6砂岩进行一系列加载水平的峰后蠕变试验,并用改进的西原模型描述破裂(峰后)砂岩蠕变全过程。试验结果表明,破裂砂岩失稳蠕变过程与煤岩一般的蠕变规律相似;破裂砂岩也存在长期强度,其值可根据岩石加载过程中的应力–应变关系通过理论分析的方法得出;破裂砂岩蠕变全过程可用改进的西原模型描述,对加载应力大于Sh(破裂砂岩的长期强度)的情况,模型的参数可用最小二乘法求得;影响破裂砂岩蠕变成功进行的因素是岩样的均质性、加载控制和岩样移送三轴压力室前密封的可靠性。研究结论对揭示地下工程灾害发生的时滞性、确定掘进巷道围岩支护参数等有重要的参考意义。     

深埋巷道分区破裂化机制

深部巷道外部受到远场原岩应力的作用，而内壁受到一个随时间变化的内压作用，开挖过程是动力问题，其运动方程可以用位移势函数来表达。通过对运动方程进行Laplace变换，进而求得其通解。根据弹性力学知识和边界条件得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场。当该弹性应力场满足破裂条件时，岩体发生破裂，位移不连续，形成破裂区。结合断裂力学知识，确定破裂区岩体的残余强度和产生破裂区的时间，进而确定破裂区和非破裂区的宽度和数量。数值分析结果表明，巷道分区破裂化的产生跟开挖速度与岩石强度有关。该研究可为深部岩体的开挖和支护设计提供初步的理论基础。     

工程岩体抗剪强度确定综合方法——GMEM研究

工程岩体的强度由于受到岩性、节理、地下水、温度场等的影响导致其强度的确定成为岩石力学界的一个重大难题。工程岩体具有地质、力学和工程3大特色，其强度的确定也应综合考虑这3种因素。在此基础上，提出利用经验类比、岩体质量评分体系和连通率的方法结合宏观地质条件判断结果综合确定工程岩体强度的方法——GMEM(geology，mechanics and engineering memod)。运用该方法在向家坝等许多工程中得到很好的应用。     

深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

 通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明：(1) 单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2) 裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3) 预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4) 单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔–库仑强度准则达到较好统一;(5) 单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6) 单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

地震作用下坠落式危岩稳定性分析

构建了地震作用下厚层水平岩体中坠落式危岩块体的震动模型,并基于结构动力学和断裂力学,分别建立了危岩块体水平震动和竖向震动时危岩块体的位移、加速度与惯性力和主控结构面联合应力强度因子的计算方法。从能量的角度出发,获得了危岩块震动过程中危岩主控结构面扩展长度的计算方法,提出了危岩主控结构面的扩展判据,进而建立了考虑地震震动效应的危岩稳定系数计算方法。通过算例分析发现,危岩主控结构面对危岩体震动加速度的影响较大,考虑危岩主控结构面后危岩体的加速度峰值增加了55.56%;此外,将地震荷载视为动荷载,考虑了主控结构面在震动过程中的扩展长度的危岩稳定系数计算方法较传统的拟静力法更加安全,该方法可为地震区厚层水平岩体中坠落式危岩的防治工程设计提供理论依据。     

复杂结构面缓倾层状岩体边坡破坏机制

缓倾层状岩体边坡在结构面的切割下易发生崩塌灾害。以含有两组及两组以上结构面的复杂缓倾角岩体边坡为研究对象,首先基于断裂力学和材料力学,建立了复杂缓倾角岩体边坡层间荷载和稳定系数的计算方法,然后以重庆綦江羊叉河缓倾岩体边坡为例分析了边坡的稳定性,计算结果与边坡现场破坏情况基本一致。再通过数值模拟得到了重庆綦江羊叉河缓倾岩体边坡的稳定系数,模拟结果与计算结果基本一致。最后通过数值模拟揭示了重庆綦江羊叉河缓倾岩体边坡的破坏模式与规律,边坡下部岩腔破坏的主要诱因为压力。建立的复杂缓倾角岩体边坡层间荷载和稳定系数的计算方法可为复杂缓倾角岩体边坡防治结构的设置提供理论依据。