岩石微结构与微裂纹的损伤演化特征

利用电子显微镜对岩石微结构及晶胞进行了研究。由微结构断裂所需耗散能分析计算了岩石微裂纹演化与分形特征。结合加载类型分析了岩石裂纹扩展的形式、方向，解释了岩石损伤演化的规律。研究表明：从微孔隙延伸成微裂纹，再扩展成宏观裂纹，其扩展速度、方向和产生数量主要取决于微结构中微元件的矿物组分、排列组合方式及组合密度，以及外载荷大小、方向及其比值、应力状态与加载速率等。     

岩石剪切破坏裂纹演化特征量化分析

 为深入研究岩石破坏过程表面裂纹演化规律,探讨表面裂纹与内部破裂之间的内在联系,对砂岩剪切过程中表面裂纹演化特征进行量化,分析砂岩剪切破坏表面裂纹演化模式,建立表面裂纹量化参数与应力状态和声发射特征之间的关系,并探讨含水状态对岩石剪切破坏表面裂纹量化参数的影响。研究结果表明：砂岩在剪切过程中伴随着表面雁行裂纹的形成与贯通,雁行裂纹宏观形态出现于破坏前的极短时间内,随后岩石发生剪切贯通;最大AE事件率总是出现在剪应力急剧下降来临之前极短时间内,且出现在表面裂纹非稳定快速扩展之前;饱水系数影响了表面裂纹出现的时间和相对于峰值剪应力的位置,随着饱水系数的增加,砂岩表面裂纹出现时间变早,最大瞬时贯通速度呈依次递减规律,贯通时间变长,表面裂纹快速扩展滞后时间呈明显增加趋势。     

裂纹闭合应力及其用于评价岩石微裂纹损伤

 岩石压缩破坏过程存在几个重要应力阀值,即裂纹闭合应力、启裂应力、损伤应力及峰值应力。主要研究裂纹闭合应力确定方法,并讨论用其评价岩石微裂纹损伤的可行性。首先,对确定裂纹闭合应力的方法进行回顾与总结,并提出一种基于轴向应变响应确定裂纹闭合应力的新方法。该方法易于编程操作,可去除人为因素的影响,使得裂纹闭合应力的确定更加客观。基于多组岩石单轴和三轴压缩试验结果验证发现,该方法在单轴和三轴压缩下与其他方法确定的裂纹闭合应力较接近,验证了该方法的合理正确性。最后,采用裂纹闭合应力评价瑞典Forsmark和Oskarshamn地区3组岩石的取样损伤,通过将裂纹闭合应力与取样深度关联可以发现,取样深度较小时,裂纹闭合应力随取样深度线性增加;而取样深度较大时,裂纹闭合应力基本保持不变。裂纹闭合应力与主地应力差也表现出良好的线性对应关系,表明主应力差可能为影响岩样内部微裂纹发育的主要因素。     

类岩石材料微裂纹损伤模型分析

本文建立了压缩荷载作用下类岩石材料的二维和轴对称微裂纹损伤的有效场模型及三维微裂纹损伤的Ｔａｙｌｏｒ模型,分析了微裂纹随外加应力而发生扩展的运动过程,根据扭折型裂纹模型建立限损伤柔度的求解公式,并给出了算例。二维模型和轴对称模型的数值模拟结果表明本文提出的有效场模型的计算结果介于Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的计算结果之间,与实验结果具有良好的一致性。三维模型的数值模拟结果则表明中主应力对类岩石材料的     

岩石材料微裂隙演化的CT识别

 采用砂浆来模拟岩石材料以研究其裂隙的演化规律。借助CT扫描获得单轴压缩破坏过程中岩石材料内部的密度分布信息和统计特征,利用同位置点的密度变化来识别微裂隙的活动,通过统计密度变化特征和分形指标Rd描述研究微裂隙的演化行为。研究结果表明：(1) CT图像灰度频数统计变化曲线的幅值和形状变化反映了微裂隙的不同演化效应：荷载水平0%～50%时,曲线波峰顶点上移,而频数变化幅值显著增大,曲线呈规则正弦状;50%～70%时,曲线波峰顶点下移,频数变化幅值降低,曲线形状偏离正弦状;70%～90%时,曲线形状、波峰顶点位置和频数变化幅值基本不变,只有少数灰度区间发生频数变化;90%以后,曲线波峰顶点位置发生非常大的上移,曲线回归正弦状。而波谷顶点的位置移动则相反。这种现象体现了整个压缩损伤过程中微裂隙的主导演化作用由加载前期萌生效应转化为中期压缩闭合效应,再转化为后期的扩展、汇集效应。(2) 通过对CT图像灰度进行变换及分形指标Rd描述后发现,Rd随应力增加呈先增加→减小→再增加的三段式增长。这与压缩过程中微裂隙的产生效应与闭合效应的相互影响、转化行为有关;加载前期微裂隙的萌生效应活跃,Rd增大;中期萌生效应趋缓,扩展、汇集效应缓慢发展,此时由闭合效应主导,Rd缓慢减小;后期微裂隙的扩展、汇集效应显著增强,Rd急剧增长。(3) 提出的微裂隙体积率分形指标Rd描述能较好地刻画压缩破坏过程中微裂隙演化行为。     

岩石类材料损伤演化的分形特征

本文从几何学角度考察了岩石类材料损伤演化过程所表现出的统计自相似性,应用分形几何方法分析了岩石材料损伤演化的分形特征,得到了材料损伤演化过程中分形维数随载荷变化的关系曲线。研究结果表明:材料损伤演化过程是一个分形,分形维数是反映材料损伤程度的某一统计特征量.本文的研究为材料损伤断裂的分析开避了一条新途径。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

顶板活动过程的自组织演化研究

应用Ｈａｋｅｎ的协同论思想，首次建立反映顶板活动演化过程的声发射序参量方程，详细研究了顶板从相对稳定、破裂扩展、显著活动、突变及又演化为相对稳定的非线性自组织演化过程，指出在突变临界状态，顶板活动的力学行为预测的不可靠性，这对围岩活动及非稳定性的预报研究具有重要参考价值。     

页岩水力压裂微裂纹扩展演化试验研究及力学机制分析

水力压裂技术在页岩气开采行业中应用广泛。然而,到目前为止压裂条件下裂纹扩展及渗透的力学机制尚不清楚。基于此,对页岩试样的水力压裂缝扩展演化及层理面激活的室内试验进行统计分析及力学机制的探讨。试验结果表明,页岩试样断面所观察到的微观尺度上的微裂纹并非宏观流体压力所致,因在试验中发现在微裂纹张开处产生压应力,与之相反的是：微裂纹是由扩展断裂前的拉应力集中产生的,这也意味着层理面激活是由沿层理面的裂缝扩展引起的。此外,对微裂纹长度的统计分析表明,页岩在断裂韧性方面表现出各向异性,并且垂直于层面的断裂扩展阻力比平行于层理面的断裂扩展阻力要大2倍之多。     

一种用于岩石材料微裂纹观察的复型技术

介绍了一种用于岩石材料微裂纹观察的复型技术。这种半透明的试样表面复型可有效复制宽度大于0.2μm的微观裂纹以及矿物颗粒的微结构特征，并可方便地用于光学显微镜和扫描电镜下观察。它的最大特点是不仅能精确复制岩样的表面裂纹，同时还能提供足够多的信息以鉴别矿物颗粒。应用表明：对于岩石材料的微破裂研究，特别对于矿物颗粒的破坏行为与岩石破坏的关系研究，它是一种方便而有效的方法。     

边坡潜在滑移面关键单元岩体裂隙演化特征细观试验与滑移机理研究

 利用自行研制开发的剪切蠕变细观试验装置与软弱煤岩细观力学特性测控软件,对边坡潜在滑移面关键区红砂岩进行了系统的剪切蠕变试验研究,分析了红砂岩在不同载荷水平的剪切蠕变作用下细观裂纹扩展的时空演化规律及破坏后破裂面形态特征与剪切蠕变强度之间的关系,初步探讨了边坡的滑移机理。结果表明：剪切蠕变作用下,红砂岩宏观蠕变变形与细观裂隙扩展同步进行;红砂岩裂纹扩展方向与剪切应力方向具有一定偏差,且出现多次分岔;裂纹多为绕晶体边缘扩展,扩展路径的不规则性受到岩体晶体分布特征的影响;岩体不同成分之间的应力响应差异、变形不协调和微裂隙之间的相互作用促进了裂隙的萌生和扩展,裂隙多在张拉和剪切共同作用下形成;破裂面粗糙度与剪切蠕变强度呈非线性递增关系,曲率呈先增大后减小趋势。     

岩体声发射混沌与智能辨识研究

对岩石试件加载及破坏过程的声发射进行了试验,对工程岩体声发射进行了监测。采用混沌动力学研究了岩体声发射活动规律,计算了工程岩体在变形与破坏过程中不同阶段声发射混沌吸引子。用混沌与神经网络相结合,建立了岩体声发射预测模型。根据岩体声发射各阶段特征,建立了工程岩体稳定性智能辨识模型。研究结果表明,岩体声发射活动存在4个不同的阶段:稳定期、声发射活动初期、声发射活动加剧期和活动反转期。岩体破坏出现在声发射活动反转期,声发射出现反常,混沌吸引子减小,破坏特征呈现。工程应用实践证明,混沌动力学能较好地反映岩体的声发射特征,所建立的预测与智能辨识模型能较好地预测和分析工程岩体稳定性。     

单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究

 岩石在变形直至破坏失稳中的能量转化是一个动态的过程,大致分为能量输入、能量积聚、能量耗散和能量释放4个过程。通过对不同能量转化机制的非线性关系分析,建立受载岩石能量转化随轴向应力的自我抑制演化模型,并由红砂岩能量演化试验对其进行验证,所建模型适用于岩石变形破坏峰前阶段。研究表明,随应力演化的能量密度值序列遵循标准Logistic映射,能量演化具有分叉和混沌特征,当轴向应力达到约92%峰值应力时,岩石系统进入倍周期分叉区,达到约97.5%峰值应力时,进入混沌区。定义能量迭代增长因子μ,其随应力单调递增,并初步提出岩石破坏预警判据μ = 3。     

地下开挖影响下岩体分形性质演化问题探讨

提出了天然岩体的分形性质;研究并总结了地下开挖影响下岩体初始裂隙分布分维、裂纹扩展或断裂表面生成分维、采动岩体再生裂隙分维等一系列能用分形几何来描述的现象随时间的动态演化规律;揭示了岩体受力变形过程中的应力状态、力学性能、物理和化学性质的演化与其相关分维值的关系;展望了岩体分形性质及其受力演化规律的研究意义,为从更深层次认识岩体变形破坏的非线性、复杂性架起了桥梁,包括岩体动力学演化过程的混沌特征、岩体分形演化力学行为中的突变现象和岩体裂纹演化的协同效应;最后展望了岩体分形性质及其受力演化规律的应用领域及其发展前景。     

岩石材料破坏形式的分叉分析

采用不连续发叉理论，分析了轴对称状态下岩石材料的破坏形式，并采用一组大理岩的实验结果进行了模拟计算。分析结果认为，岩石材料在单轴压缩状态下的脆性破坏总是张破裂的，而在常规三轴压缩状态下的脆性破坏是剪切破坏的，并且随着围压的增加，其剪切带方位角逐步降低，破坏形式由剪切破坏逐步向塑性破坏过渡。此外，岩石材料的剪切带分叉发生在峰值应力之后，随围压增加而逐步远离峰值点。     

深埋隧洞开挖围岩应力演化过程监测及特征研究

 由于TBM掘进不同于钻爆法,其对围岩的损伤程度较轻,不会破坏预埋的空心包体应力计,因此可以在现场预先设计位置埋设空心包体应力计,监测TBM掘进过程中围岩的应力变化。首先利用数值方法计算隧洞开挖后的二次应力分布,分析掌子面效应以及围岩的起裂强度,初步确定围岩的松弛区和损伤区范围,在此基础上确定空心包体应力计的埋设位置和开始监测的时间。然后通过试验洞向TBM掘进隧洞钻孔的方法在松弛区和损伤区分别预埋空心包体应力计,并监测从应力开始变化到最后趋于稳定的整个过程。监测结果证明掌子面效应的存在,应力变化开始于掌子面前大约1倍的开挖洞径,掌子面后0.5倍洞径范围内是应力调整最剧烈的区域,并利用空心包体应力计针对裂纹扩展的敏感性分析围岩损伤区范围,最后根据应力计的监测成果验证此处围岩的起裂强度,监测成果和数值计算结果比较吻合。本文的研究成果可以为现场确定损伤区范围和岩体的起裂强度提供参考,为支护设计和支护时机的选择提供科学依据。     

岩石应力的电学效应及其断裂演化规律

研究岩石离子导电基本规律和脉冲非极化电流测试方法,得出岩石电阻变化率与有效孔隙度变化率之间的理论关系;采用力学与电学参数结合的方法,研究压缩应力对含氯化钠溶液石灰岩、砂岩产生的电学效应,取得完整的应力–应变曲线和相应电阻–应变曲线试验数据。试验结果表明:岩石内部裂隙的变化将引起相应的岩石电阻改变;所有电阻–应变曲线上都存在一个岩石电阻最小值,并对应于岩石开裂应力;岩石断裂过程中,应力–应变曲线与电阻–应变曲线的变化规律具有明确的反对称性。岩石电阻变化能够明确表达压缩过程中复杂断裂的演化特性,提出并验证岩石断裂规律的状态方程。     

岩体变形的替代数据混沌判定方法研究

 观测位移时间序列是岩体变形和破坏过程的综合体现,已广泛用于边坡、隧道和地下硐室等岩石工程的稳定性判断及其预测。根据岩体的观测位移时间序列,通过Fourier变换来生成替代数据,提出其混沌随机性的检验方法,可避免根据最大Lyapunov指数是否为负数以及关联维数是否为非整数来进行混沌判断所引起的不足;分别对玲珑矿巷道及枣林滑坡位移序列进行非线性混沌判定,获得理想的检验结果。     

论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

 简要论述岩石循环的地质作用,提出并讨论岩石地质本质性命题,侧重阐述岩石的物质性、结构性和赋存性,及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识,探讨岩石物理本属性,包括不均一性、不连续性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上讨论岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论建立起岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。