断续节理岩体劈裂破坏的贯通机理研究

利用裂纹孤立原理结合裂纹线场理论，研究了压应力作用下断续节理线尖端的精确弹性区应力场和脆断区应力场，然后将精确弹性区应力场和脆断区应力场相匹配，进而确定脆断区长度和荷载之间的关系。利用脆断区长度和荷载之间的关系，从理论上分析了断续节理产生劈裂破坏的贯通机理，并且确定了断续节理岩体发生劈裂破坏的强度。通过和实验结果对比分析，论证了理论模型的正确性和可行性。     

应力波反复作用下断续节理岩体疲劳破坏试验研究

试验研究了反复应力波作用下断续节理岩体的疲劳破坏过程和特征,讨论了节理充填性质、节理倾角、侧向静压等因素对岩体动态疲劳破坏的影响。结果表明:疲劳损伤累积过程受节理倾角与应力波传播方向影响,两者夹角越大损伤破坏越不均匀,但强度降低率小;充填介质能在一定程度上削弱应力波的损伤作用,减缓损伤累积进程;损伤累积过程在一定程度上受控于侧压,随着侧压增大损伤累积速率和强度降低速率减缓。     

平面应力条件下闭合断续节理岩体破坏机理及强度特性

根据激光散斑照相技术和应变花所测得的位移场和应力场,深入分析了平面应力条件下闭 断续节理脆性岩体的变形和破坏特征,揭示了裂纹扩展规律和破坏机理,得出了这类岩体的初裂强度和贯通破坏强度表达式,并将计算结果与试验结果进行了对比,验证了所得公式的合理性。     

共面闭合断续节理岩体的直剪强度研究

根据模型试验研究结果，深入分析了直剪条件下含共面闭合断续节理岩体的变形和破坏机理，并在此基础上建立了这类岩体的初裂强度和贯通破坏强度准则，将计算结果与实测值进行了对比分析，表明两者吻合较好，证明该强度准则是合理可靠的，具有理论和工程应用价值。     

断续节理岩体强度评价及承载力预测

从分析断续节理岩体中岩桥的破坏模式出发，建立计算断续节理岩体极限强度的理论公式，定量地讨论了节理的排列方式及其力学性质对岩体强度各向异性的影响。通过试验验证，本文所建公式与试验值吻合较好。与前人研究成果比较，本公式具有适应性强，可靠度高的特点，可用于确定实际工程的节理岩体承载力并进行岩体稳定性评价。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

含断续节理岩体的断裂力学数值分析

本文论述了岩体工程中断裂力学数值分析的原理,阐明了在含断续节理的岩体中进行这种分析的基本方法和一般步骤。分析中考虑了荷载作用下因节理的扩展而引起的岩体物理力学性质的改变,进而导致岩体应力、变形的变化和发生节理扩展的岩体范围的扩大。根据单元性质转换原理,编制了逐次加载法的三维有限元程序。将这种分析实际运用于240m高拱坝坝肩,获得了岩体应力、变形和发生节理扩展的岩体范围等多方面的资料。     

含定向闭合断续节理岩体的强度特性

本文通过石膏模型试验,着重分析了含定向闭合断续节理的脆性岩体的强度特性和破坏机理。在此基础上,提出了估算这种岩体强度的准则。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力–应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。     

节理岩石的应力波动与能量耗散

应用SHPB试验和分形方法研究节理岩石的应力波动与能量耗散关系，分析节理面不规则结构对应力波穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的影响。研究结果表明：节理面不规则结构明显地影响应力波的传播性质。在相同入射波条件下，粗糙节理岩样的应力波衰减程度大于平直光滑节理岩样的衰减程度，粗糙节理的实际变形大于平直节理的变形。节理岩石的能量耗散比WJ/WI随节理面分维值D增大而增加，两者呈非线性关系；但当分维值小于临界值时，粗糙节理岩样的能量耗散比WJ/W与平直节理面的能量耗散比基本相同，并给出节理岩石能量耗散随节理面分维值D变化的表达式。     

节理岩体模型单轴压缩破碎规律研究

 为进一步研究节理倾角和节理连通率这2个参数对岩体单轴压缩下破碎特征的影响,对这些试件试验后的碎屑进行筛分试验。碎屑按照粒径d≥10 mm,5 mm≤d＜10 mm,0.075 mm≤d＜5 mm和d＜0.075 mm分为粗粒、中粒、细粒和微粒4个粒级。计算各粒级碎屑的质量百分比、各粒径范围内碎屑的频数、碎屑比表面积和碎屑尺度–质量分布的分形维数。研究结果表明,粗粒碎屑的质量百分比随着节理倾角的增加先增大后减小,在45°附近有最大值。而其他粒级的碎屑的质量百分比、各粒径范围内碎屑的频数、碎屑比表面积和碎屑尺度–质量分布的分形维数随节理倾角的变化规律则相反,在45°附近有最小值,这与强度和弹性模量随节理倾角的变化规律相似。与各节理倾角下试件强度和弹性模量随节理连通率增加而单调减小的规律不同,试件碎屑的统计参数随节理连通率的变化规律较为复杂。总体上,节理倾角为0°,15°,75°和90°的试件,碎屑的粗粒质量百分比较无节理完整试件的低,而碎屑的中粒、细粒和微粒的质量百分比、各粒径范围内的频数、比表面积、分形维数都较无节理完整试件的要高,表明节理的存在使得其破碎程度提高,能量耗散增多;而节理倾角为30°,45°和60°的试件则有相反的规律。这是由于前一组节理倾角试件的破坏模式除包含有无节理试件的劈裂破坏模式外,还伴随有压碎或转动破坏模式,其破裂面数和能量耗散总量要高于后一组节理倾角试件的压剪破坏模式,其中节理倾角为45°的试件仅沿对角线形成一个剪切贯通面,破裂面数和能量耗散最小。     

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。     

基于图像分析的节理岩体单轴压缩损伤演化研究

 为定量地研究节理岩体的损伤演化规律,对岩体石膏模型试件单轴压缩试验过程中拍摄的表面数字图像进行处理分析。编制Matlab程序,实现单个裂纹的识别、裂纹长度和方位角、总裂纹面积分数和总裂纹分形维数的计算。对节理倾角和节理连通率这2个参数组合变化下的试件表面裂纹图像的分析结果为：(1) 试件表面总裂纹面积分数和总裂纹分形维数变化规律基本相似,在各节理连通率和各节理倾角下,2个参量都随轴向应变的增加而增大;(2) 可将试件分为两大组,节理倾角为0°,15°,75°,90°试件(劈裂破坏为主)和节理倾角为30°,45°,60°的试件(剪切破坏为主),第1组试件表面的总裂纹面积分数和总裂纹分形维数值都高于第2组试件;(3) 具有相同节理连通率的试件,在试验开始点不同节理倾角的总裂纹面积分数基本相同,在峰值荷载点和试验结束点的总裂纹面积分数随节理倾角的变化曲线基本呈V型(最小值在节理倾角为45°处,最大值在节理倾角为0°处);(4) 表面裂纹在试验开始时和加载过程中的各向异性分布特征,可以用裂纹面积分数沿裂纹方位角的分布图来表征。研究结果表明,表面裂纹图像分析可以有效地定量研究节理岩体试件的各向异性损伤演化特征。     

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明：围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。     

基于应力波频谱变化测试岩体节理的刚度

用线性变形节理描述宏观节理的变形特性,在节理的法线方向布置一条测线,测线上在节理两侧分别布置一个测点,用以记录入射侧和透射侧的波形,结合应力波垂直通过单一线性变形节理的透射系数和反射系数,利用透射侧波形的频谱,可以得到入射侧测点处波形的计算频谱,令入射侧波形的频谱与计算频谱相等,提出应力波垂直入射时基于频谱测试节理刚度的方法。通过FLAC3D模拟,验证刚度测试方法的合理性,并分析入射波的峰值频率、节理刚度和节理两侧岩石的弹性模量对测试误差的影响,结果发现,节理刚度越大,测试误差越小;弹性模量越大,测试误差越大;峰值频率对测试结果影响较小;不同工况下,均具有较高的计算精度。在德兴铜矿露天开采临时边坡面上选择一个两侧岩体相对完整、所在坡面比较平整的宏观节理,进行了9次试验,9次试验的测试结果相近,9次试验的法向刚度测试值的方差为0.72,切向刚度测试值的方差为0.56,说明节理刚度测试方法具有稳定性高的特点。     

压剪应力作用下含瓦斯原煤细观裂隙演化特征试验研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切加载试验装置,开展压剪应力作用下含瓦斯原煤细观裂隙动态演化特征试验研究,描述瓦斯运移通道的形成过程并分析影响细观裂隙形态特征的因素。研究结果表明：裂隙演化为瓦斯入渗煤体并在煤体中运移提供通道;在瓦斯压力及压剪应力的共同作用下,煤体表面破碎、脱落,破碎区更容易演化出新的裂隙。原生裂隙和坚硬颗粒都对细观裂隙演化产生影响：原生裂隙处更容易演化出新裂隙,从而在局部区域形成H型裂隙结构,且新裂隙与原生裂隙交汇时发生移动错位;坚硬颗粒则使得裂隙分叉并绕过自身演化,使得张拉和剪切共同作用形成细观裂隙,裂隙分叉角度为10°～100°,分叉角离散性大;原生裂隙与坚硬颗粒都使得压剪过程中瓦斯在煤体中运移的数目增多。随着法向应力的增大,加上初始损伤和坚硬颗粒的影响,裂隙分布率增大,煤体表面破碎越剧烈。     

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

 针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。