深地科学与深地工程技术探索与思考

21世纪的深地科学进入了新的发展阶段,深地科学规律尚未探明,深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性,地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。因此首先从地球科学的视角定义了深地科学：以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象,旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度(深层和超深层)科学奥秘;理清了深地科学与地球科学的区别与联系：即深地科学是在已知地球科学知识体系上的延伸,是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向,包含于地球科学;定义了深部与深地工程科学的本质：即针对现有浅部工程的科学规律与技术无法适用于深部工程的难点,探索深部工程相关科学规律,突破深部工程关键基础科学问题,匹配人类在深部工程活动中的地灾防控需求,进而指导深部资源安全高效绿色开发、深部工程空间有效利用。提出深地工程技术定义,即指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备,为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。最后,进一步明确了深地科学的研究内容与规划,以及深地工程技术内涵与攻关方向(即深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深地隧道与巨型洞室群智...     

温度压力耦合作用下的岩石屈服破坏研究

以深部开采为背景,讨论了温度和压力对深部岩石变形和破坏规律的影响。将岩石的屈服破坏过程视为能量释放和能量耗散的过程,根据最小耗能原理导出了温度和压力耦合作用下的深部岩石屈服破坏准则。该准则具有明确的物理意义,即当岩石的塑性耗散能及温度梯度引起热传导的耗散能累积耗散到一定程度时,岩石就会发生破坏失稳。     

不同法向应力条件下页岩的各向异性剪切破断行为研究（英文）

为深入研究典型页岩在高法向压力条件下的各向异性剪切断裂力学特性和断面形貌特征,对龙马溪页岩开展了3种典型层理方向(arrester, divider和short-transverse)和5种不同法向应力条件下的双边槽直接剪切试验,并使用激光扫描仪对剪切断面进行扫描与重构。结果表明,Ⅱ型断裂韧度(K_Ⅱc)在divider方向最大,arrester方向次之,short-transverse方向最小,表现出强烈的三维各向异性。相比之下,临界Ⅱ型能量释放率(G_Ⅱc)在arrester和divider方向较为接近,未表现出明显的三维各向异性。值得注意的是,在剪切阶段峰前输入的能量与G_Ⅱc具有相同的各向异性特征。研究结果还表明,高法向压力提高了Ⅱ型断裂强度参数,但各向异性程度并没有被削弱。此外,受层理弱面影响,页岩在Ⅱ型断裂过程中仍会产生拉伸裂纹,最终形成粗糙的剪切断裂面,且页岩剪切断面分形维数、粗糙系数和粗糙面起伏度均表现出显著三维各向异性特征。     

前言

正2008年5月12日,四川省汶川县境内发生了里氏8.0级特大地震,是新中国建立以来破坏力最大的地震,也是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。山河变色、亲人离散的悲恸,至今仍历历在目、令人难以忘怀。时光飞逝,转眼10年,今天的灾区在经历重建后已焕然一新、尽显生机,人民也过上了幸福快乐的新生活。     

确定动态劈裂裂纹起裂和扩展特性的简便方法

利用直径100 mm的分离式霍普金森压杆对大理岩巴西圆盘进行了动态劈裂试验。在试样表面加载直径方向粘贴一系列电阻应变片,用来记录试样加载直径上各点的应变随时间的变化曲线,通过记录的应变历程,可以判断劈裂试样的起裂应变、起裂位置和时刻,以及裂纹的扩展顺序和裂纹扩展的速度。试验结果表明,裂纹的起裂对应着该点的应变历程上应变值的突变。裂纹起裂一般并不在试样中心,而是偏向中心和入射杆撞击端之间的某一点,然后裂纹沿加载直径向两个相反方向发展,直至试样完全劈裂为比较大的两部分。裂纹扩展的速度大约为400~800 m/s,试样从开始起裂到完全裂开的破坏时间约为几十个μs。当应变率比较低时,裂纹在扩展过程中的分岔点比较少,因而破坏形态较好,当应变率比较高时,裂纹在扩展过程中的分岔点比较多,破坏形态也比较多。因此,在巴西圆盘加载直径上粘贴一系列应变片来研究脆性材料的动态起裂和扩展特性,是一种简便高效的试验方法。     

页岩储层压裂改造的非常规理论与技术构想

近十多年来美国页岩气的成功大规模开发,在世界范围内掀起了一场"新能源革命"。中国页岩气资源丰富,储量位居世界第一。但是中国页岩储层埋深大,成藏条件复杂,构造运动剧烈,页岩板块零碎,特别是西北华北等页岩气储量丰富的地区严重缺乏水资源,页岩储层后期改造困难,页岩气开发的难度和复杂程度都超过美国。为此提出了非常规页岩气开发理论与技术构想,通过分形重构实现页岩中油气储运的精细描述,利用高能热力耦合气体使页岩脆化并产生高度体破裂,在此基础上提出了页岩储层压裂改造的气动脆裂技术和高分子中空热胀支撑剂技术,以上理论与技术构想将为中国页岩气开发特别是贫水缺水地区的页岩气开发探索新途径。     

序言

灾害环境下重大工程安全性的问题是关系到国家财产、人民生命安全的重大课题,也是全世界普遍关注的问题。1987年联合国第42届大会通过169号决议,将上世纪最后十年定为“国际减轻自然灾害十年”。尽管包括我国在内的世界各国对地质灾害环境下重大工程的安全性研究都极为重视,但每年世界各地发生的地质灾害及其对工程设施的破坏和由此而造成的损失仍十分巨大。纵观我国西部在建和即将兴建的一系列重大工程,工程规模特别巨大,地质环境极为恶劣,工程活动非常强烈,地质灾害十分严重。这些重大工程建设必将面临若干前所未有的深层次的科学问题和技…     

基于两体相互作用问题的粗糙表面形貌描述指标系统的研究

在考虑坝体与坝基的相互作用问题时，需要对坝基粗糙表面的粗糙程度进行恰当的描述，工程界希望这种描述方法能够与界面的抗剪切力学性能建立一一对应关系。据此，分析以往研究中一些描述表面粗糙形貌的指标所存在的问题，指出用分形维数描述表面粗糙可能适合于机械摩擦这样的粗糙精细的场合，对于研究具有岩石粗糙表面的两体相互作用问题，粗糙尺度太大，分形维数描述方法不能直接使用。然而，借助分形理论，经6个粗糙的岩石试件表面的激光扫描数据处理分析，提出一个新的描述表面粗糙形貌的指标Rd。Rd指标的合理性在于放大了大尺度细节的作用，这与大尺度粗糙细节对力学性能影响大的事实相吻合的，且Rd指标值域比传统分维值要大，易于区分不同的粗糙表面。此外，Rd的取值与测量方向无关，适合一一对应地描述某一区域的粗糙程度。通过对一系列典型图形和实测粗糙岩石表面采用不同描述指标进行对比分析计算，验证Rd指标的合理性。然而，考虑到描述指标既需要对粗糙表面在不同方向测量具有不变性，又要能够反映粗糙表面在不同方向剪切受力时界面力学性能不同这一现实，单一的粗糙描述指标不能同时完成上述两项任务。经过理论和数值分析，提出一个描述粗糙起伏的形状因子参数λ，其与Rd指标共同构筑一个新的表面粗糙程度的双参数描述系统，在该系统中，形状因子参数五可考虑剪切受力方向的不同对界面力学性能的影响，且Rd指标则不受方向的影响。对于沿着试件宽度形状因子为常量的特定情况，给出双参数描述系统与界面力学性能建立联系的基本表达形式，并对影响因素进行分析。     

基于空间智体模型的岩体稳定性分析方法

采动岩体稳定性是解决矿山安全问题的关键所在,但是,由于岩体赋存于复杂的地质环境中,变形破坏特征是地质构造、地下水、采矿方法及环境等诸多不确定性因素共同作用的结果,表现为复杂的非线性动力学特性,故采用单一方法难以表征这种复杂系统特性,需要探求一种新的方法。在现有分析方法分析和总结的基础上,研究开采影响范围内的岩体在外界采矿工程环境变化时表现出的自适应系统行为,建立了基于空间智体的岩体稳定性分析模型,通过采动空间智体的内部属性特征、学习机制和外在行为涌现表征岩体的稳定状态及变形破坏规律,最后进行了实例验证。     

孔隙与破断岩体的宏细观力学研究

作者简介谢和平，男，中国矿业大学岩石力学与分形研究所所长，教授，博士生导师，国务院力学学科评议组成员。岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体，存在不同阶次的随机分布的微观孔隙和裂纹。在宏观尺度上岩体是非均质、非弹性、各向异性的，而且具有时效性...