了得網自然科學_岩體裂隙網絡各向異性損傷力學效應研究

編輯推薦

岩體,裂縫（岩石）,岩石力學,研究

內容簡介

《岩體裂隙網絡各向異性損傷力學效應研究》主要介紹岩體裂隙網絡各向異性損傷力學效應的試驗、理論研究和工程應用。在試驗研究方面，以裂隙岩體模擬試件的單軸壓縮試驗為基礎，采用數字圖像處理、篩分試驗模擬分別對試件的表面裂紋演化特征、破碎特征和起裂機制進行分析，研究試件宏觀各向異性、非線性力學響應與其裂隙網絡幾何參數的相關關繫，揭示裂隙岩體的損傷機理。在理論研究方面，以微介質模型為出發點建立了岩體本構關繫研究的新框架，討論了標量和矢量的方向分布函數及其各階組構張量、岩體的各向異性損傷強度準則和岩體的微平面損傷本構模型。在工程應用方面，考慮岩體各向異性對油井井壁的穩定性進行了彈性和彈塑性分析。

目錄
《岩石力學與工程研究著作叢書》序
《岩石力學與工程研究著作叢書》編者的話
前言
第1章緒論 1
1.1 岩體損傷力學機理的試驗研究 3
1.1.1 現場原位試驗 3
1.1.2 物理模擬試驗 4
1.1.3 數值模擬試驗 6
1.2 岩體的各向異性強度準則 7
1.2.1 基於張量及不變量的各向異性強度理論 7
1.2.2 基於材料參數修正的各向異性強度理論 8
1.3 岩體的各向異性損傷本構模型 9
1.3.1 基於傳統方法的岩體各向異性損傷本構模型 9
1.3.2 混凝土材料的微平面模型 11
1.3.3 介質概念的岩體微平面損傷模型 13
1.4 本章小結 14
參考文獻 15
第2章節理岩體模擬試件的單軸壓縮試驗 25
2.1 試驗參數和方法 25
2.1.1 試件尺寸和節理網絡參數 25
2.1.2 岩石模擬材料的選取 27
2.1.3 材料配比及力學參數測定 28
2.1.4 試件的制作方法 28
2.1.5 試件的數量 29
2.1.6 單軸壓縮試驗設備 30
2.2 試件的應力-應變全曲線及其分類 30
2.2.1 各組試件的應力-應變全曲線 30
2.2.2 應力-應變全曲線的類型 32
2.3 試件的峰值強度和彈性模量 35
2.3.1 強度和彈性模量的變化規律 35
2.3.2 強度和彈性模量隨節理連通率變化的擬合函數 37
2.4 試件的延性指標 41
2.4.1 常用的延性或脆性指標 41
2.4.2 試件延性指標的變化規律 42
2.5 試件的開裂過程和破壞模式 44
2.5.1 起裂類型 44
2.5.2 裂紋彙合貫通類型 48
2.5.3 破壞模式 55
2.6 宏觀力學行為的損傷力學機制分析 56
2.6.1 應力-應變全曲線類型的損傷力學機理 56
2.6.2 強度各向異性變化規律的損傷力學機理 59
2.7 本章小結 60
參考文獻 61
第3章單軸壓縮試驗中試件的表面裂紋演化特征分析 63
3.1 二維數字圖像處理技術及表面裂紋統計參量的計算方法 64
3.1.1 各試件代表性圖像的選取 64
3.1.2 二維灰度圖像的增強和二值化 66
3.1.3 單個裂紋的識別和參數統計 69
3.1.4 表面裂紋的總面積分數和分形維數 70
3.2 表面裂紋的總面積分數和分形維數隨軸向應變的演化 71
3.2.1 各試件表面裂紋的總面積分數和分形維數隨軸向應變的變化曲線 71
3.2.2 表面裂紋的總面積分數和分形維數演化隨節理參數的變化特征 81
3.3 特征點的裂紋面積分數和分形維數隨節理參數的變化規律 85
3.4 表面裂紋面積分數角度分布特征隨節理參數的變化規律 88
3.4.1 各試件特征點處的表面裂紋二值化圖像 88
3.4.2 各試件特征點處表面裂紋面積分數的角度分布 95
3.5 本章小結 112
參考文獻 113
第4章單軸壓縮試驗後試件的破碎特征分析 115
4.1 篩分試驗的方法和步驟 116
4.1.1 篩分試驗方法 116
4.1.2 篩分試驗步驟 117
4.2 篩分試驗的結果 119
4.2.1 各試件篩分試驗的粗粒和中粒照片 119
4.2.2 各試件破碎體的粒級-質量 129
4.2.3 各試件破碎體的粒級-頻數 131
4.3 破碎體的塊度分布特征 132
4.3.1 質量百分比 132
4.3.2 各粒級的頻數 135
4.3.3 比表面積 137
4.3.4 分形維數 142
4.4 本章小結和討論 144
參考文獻 146
第5章裂隙岩體起裂機制分析 147
5.1 遠場壓力下單個橢圓裂隙彈性應力場的解析解 148
5.1.1 平面問題彈性應力的復變函數解及保角變換 148
5.1.2 Muskhelishvili的極坐標解析解 149
5.1.3 Stevenson的橢圓坐標解析解 151
5.1.4 橢圓孔周圍的應力場分布及應力集中繫數 152
5.2 基於兩種破裂機制的破裂判據、破裂函數及臨界荷載 161
5.2.1 拉破裂的判據、破裂函數和開裂臨界荷載 161
5.2.2 剪破裂的判據、破裂函數和開裂臨界荷載 165
5.3 多裂隙岩體開裂機制模擬分析 170
5.3.1 幾何模型 171
5.3.2計算網格 173
5.3.3 應力計算結果 177
5.3.4 開裂機制分析 187
5.4 與裂隙岩體起裂的試驗結果對比 189
5.5 本章小結 191
參考文獻 191
第6章方向分布函數及其組構張量 193
6.1 方向分布標量函數及其組構張量 193
6.1.1 單位方向矢量各階並矢及其方向平均 194
6.1.2 兩個張量並積關於指標完全對稱化的記法 199
6.1.3 方向分布標量函數的**類組構張量 200
6.1.4 方向分布標量函數的第二類組構張量 203
6.1.5 方向分布標量函數的第三類組構張量 206
6.2 方向分布矢量函數及其組構張量 212
6.2.1 單位張量和任意矢量與單位方向矢量並失組成的兩個特殊張量 212
6.2.2 方向分布矢量函數法向分量（標量）的**類組構張量 217
6.2.3 方向分布矢量函數的**類組構張量 219
6.2.4 方向分布矢量函數的第二類組構張量 222
6.2.5 方向分布矢量函數的第三類組構張量 225
6.3 本章小結 227
參考文獻 229
第7章基於組構張量的岩體各向異性屈服或強度準則 230
7.1 微平面模型的宏細觀聯繫框架 230
7.1.1 代表性的宏觀物理量和微平面上的細觀物理量 230
7.1.2 微平面物理量和宏觀物理量間的聯繫 232
7.2 基於微平面有效應力的岩體各向異性損傷屈服準則 237
7.2.1 宏觀應力張量不變量的微平面表達式 238
7.2.2 各向同性強度準則及其微平面表述 240
7.2.3 微平面有效應力矢量、宏觀有效應力張量及其不變量 242
7.2.4 材料主軸坐標繫內的岩體各向異性屈服準則 248
7.3 考慮材料參數方向分布的岩體各向異性強度準則 251
7.3.1 岩體強度參數的各向異性分布 251
7.3.2 各向異性岩體的拉、剪破壞條件 252
7.3.3 岩體的各向異性抗拉強度準則 253
7.3.4 岩體的各向異性抗剪強度準則 254
7.3.5 主應力空間內的岩體各向異性強度準則破壞面 259
7.4 本章小結 266
參考文獻 268
第8章岩體的各向異性損傷本構模型 269
8.1 岩體微介質模型的宏細觀聯繫框架 269
8.1.1 岩體微介質模型的基本假設 269
8.1.2 微平面法向和切向都不分解形式的宏細觀聯繫框架 271
8.1.3 微平面法向分解、切向不分解形式的宏細觀聯繫框架 273
8.1.4 微平面法向不分解、切向分解形式的宏細觀聯繫框架 275
8.1.5 微平面模型建立宏觀本構方程的步驟及單位球面數值積分 277
8.2 各向同性材料的微平面彈性本構關繫及彈性常數 283
8.2.1 法向和切向都不分解形式的微平面彈性本構關繫及彈性常數 283
8.2.2 法向分解、切向不分解形式的微平面彈性本構關繫及彈性常數 285
8.2.3 法向不分解、切向分解形式的微平面彈性本構關繫及彈性常數 287
8.3 岩體的塑性損傷耦合微平面模型 288
8.3.1 微平面損傷變量的組構張量 288
8.3.2 岩體的損傷彈性本構方程 290
8.3.3 岩體微平面的損傷彈塑性本構關繫 295
8.3.4 岩體的宏觀彈塑性本構方程 300
8.3.5 岩體的塑性損傷耦合微平面模型計算流程 301
8.3.6 算例 303
8.4 基於應力邊界的岩體各向異性損傷微平面模型 306
8.4.1 微平面上岩體和兩個的應變增量 306
8.4.2 微平面上兩個的彈性試應力 307
8.4.3 微平面上兩個的應力-應變邊界方程 308
8.4.4 微平面上的岩體應力矢量和岩體宏觀應力張量 312
8.4.5 微平面的損傷演化方程 312
8.4.6 基於應力邊界的岩體各向異性損傷微平面模型計算流程 314
8.4.7 算例 315
8.5 本章小結 327
參考文獻 328
第9章考慮岩體各向異性的油井井筒穩定性分析 330
9.1 考慮岩體各向異性的井壁穩定彈性分析 330
9.1.1 地應力主軸、岩體材料主軸和井筒的坐標繫 331
9.1.2 井筒周圍岩體的彈性應力場 335
9.1.3 考慮岩體各向異性的井壁穩定彈性分析模型及軟件 345
9.1.4 算例 349
9.2 考慮岩體各向異性的井壁穩定彈塑性分析 353
9.2.1 分析方法及計算參數 353
9.2.2 分析結果 355
9.3 本章小結 358
參考文獻 359
彩圖

媒體評論

評論

在線試讀

第1章緒論
在水電、交通、采礦、石油、國防、新能源等眾多的工程領域中，都涉及岩體工程繫統的設計和建設，如水電或交通隧道、大壩的基礎、天然和人造邊坡、采礦硐室、石油和天然氣儲存硐室、隔離危險廢物硐室等。為達到對這些岩體工程繫統進行安全、經濟的設計，正確認識和描述岩體在工程力作用下的力學特性（變形、強度、滲透性等）是至關重要的。
隨著我國工程建設的加速發展，岩體工程的數量和規模不斷擴大、復雜程度日益提高。例如，三峽工程永久船閘約176m高邊坡的穩定性問題；西南地區約300m的高拱壩（四川錦屏和溪洛渡水電站、雲南小灣水電站）在復雜岩基下的穩定性問題。隨著我國煤炭資源的長期開采造成淺部資源日益枯竭，迫使多數礦井轉入深部開采，全國煤礦2010年的平均開采深度為700m，預計2020年的平均開采深度將達到1200m[1] 。在深部煤炭資源開采中，由於岩體破碎程度高和所處的高地應力、高岩溶水壓、高溫的“三高”地質環境，巷道開挖後的大變形、大地壓和難支護等現像不可避免，頂板冒落、底臌大變形、瓦斯突出、底板突水等災害頻發，簡單的一次支護不能實現工程穩定，必須采用二次支護或多次支護等措施來控制圍岩的大變形和破壞，給巷道的維護帶來極大的困難，嚴重威脅著我國煤炭深部資源的安全高效開采，已成為國內外采礦及岩石力學界研究的熱點。此外，地層熱能資源的開發利用、頁岩氣開采、核廢料地下埋置、二氧化碳地下封存等岩體工程中都涉及多相多場耦合環境下的岩體工程穩定性問題。這些都為岩體力學的發展帶來了機遇和挑戰，推動了新的理論、試驗方法和計算技術的不斷提出。
天然岩體是自然界的產物，在漫長的歷史形成過程中，經受了各種復雜的地質作用，內部廣泛存在著規模不等、產狀不同、性質各異的各類結構面，統稱為不連續面，如斷層、層理面、剪切帶、岩脈、節理、片理和割理等。這些不連續面是岩體中的薄弱部位，對岩體的穩定性起著控制作用。許多大型工程實踐中的岩體失穩事件，如邊坡、壩基的滑移失穩以及地下硐室的坍塌、冒頂、底臌、瓦斯突出等事故都與這些不連續面的存在及演化過程密切相關，使得國內外的岩體力學工作者逐漸認識到不連續面對岩體穩定性所起的重要作用[2，3]。
一般地，可將岩體工程中的不連續面分為兩大類：①主要不連續面，如大的軟弱夾層、斷層和連續節理等較大尺寸的地質構造；②次要不連續面，如節理、片理、割理等小尺寸的地質構造，可統稱為“裂隙”。對絕大多數岩體工程項目，在**等級水平上隻包含少數幾個主要不連續面，其幾何分布特征和地質力學性質可以逐一地單獨確定。而對小到幾十釐米、大至幾米的次要不連續面，由於其數量龐大和在工程研究尺度範圍內常不完全貫通的特點，無法逐一單獨加以考慮，需要考察裂隙繫統的統計平均力學效應，將裂隙岩體等效為連續介質。
近半個世紀以來，“岩體結構控制論”這一岩體力學的核心學說，已逐步由定性分析為主向定量分析深入發展。彈塑性理論經過長期發展，針對不同材料，提出了各種唯像模型，對材料的非線性、非彈性行為能進行較好的總體把握，其不足之處是無法考慮材料的內部結構，解釋材料破壞的機理。而損傷力學或連續體損傷力學（continuum damage mechanics，CDM）由Kachanov[4]於1958年創立，能考慮微缺陷的存在和發展對材料宏觀力學性能的影響。日本學者Kawamoto等[5]在20世紀80年代率先將損傷力學引入岩體的本構描述，采用一個二階損傷張量來反映岩體結構，引起了國內外岩石力學工作者的廣泛關注。此後，新的理論、試驗和數值方法的不斷出現，推動了岩體損傷力學這一岩體力學和損傷力學交叉學科的蓬勃發展。岩體損傷力學致力於探究岩體宏觀力學特性與裂隙繫統損傷力學效應之間的相關關繫，將反映岩體組構特征的損傷變量引入到岩體的本構描述中，來定量地刻畫裂隙網絡結構對岩體宏觀力學行為的影響。
裂隙岩體由岩塊和其內部的眾多裂隙在空間內呈一定組合而構成。野外工程地質調查發現，岩體中的裂隙大多成組出現，每組裂隙具有相同或相近的方位和地質力學特性，是由同一地質構造或改造作用形成。岩體中的裂隙組並非在各方向均勻分布，而是集中分布在某些優勢方位上，具有明顯的各向同性分布特征。為了對裂隙進行定量描述，國際岩石力學學會規定了10項指標。這些指標可以分為兩大類：①反映裂隙網絡空間分布特征的幾何參數，包括裂隙的組數和岩塊大小，以及每組裂隙的產狀、間距（或密度）、延續性共五個指標；②反映裂隙面地質力學性質的參數，包括裂隙面的粗糙程度、起伏度、側壁抗壓強度、充填情況、滲流共五個指標。
在工程力（地應力狀態、開挖卸荷條件、溫度-水-化學環境等）作用下，裂隙岩體的力學響應取決於三個因素：①完整岩塊的力學響應；②裂隙面的力學響應；③裂隙網絡的損傷力學效應。
完整岩塊即岩石，屬於準脆性材料，宏觀上呈現出低抗拉、軟化、剪脹、蠕變、脆韌轉換、尺寸效應等復雜的力學特性。岩石的上述宏觀力學響應與其內部結構有關，包括它的礦物成分、膠結特征、孔隙結構和微裂紋等。與混凝土等準脆性材料相似，岩石的上述宏觀不可逆力學響應也受控於微裂紋的損傷力學機制，包括微裂紋的張開、摩擦、滑移和微裂紋的形成、彙合、貫通等。岩體中的裂隙面在法向拉力、法向壓力、剪力作用下將發生張開、閉合和滑移等高度非線性的力學響應，其力學行為與裂隙面的地質力學性質有關[6]。相對於岩塊和裂隙面的力學響應而言，裂隙網絡的損傷力學效應，由於其空間分布的多樣性、各向異性和其與不同應力狀態組合下對岩體力學行為影響的復雜性，迄今為止還是岩體損傷力學研究的熱點和難點之一，也是本書研究的主要內容。
總體上，裂隙的存在使得岩體強度顯著降低、延性明顯增大，在宏觀上呈現出不連續、非均勻、各向異性、高度非線性的復雜特點。裂隙岩體宏觀力學響應也有準脆性材料的上述特征，其變形破壞過程是一個多尺度損傷（細觀水平的裂隙與微觀水平的微裂紋）演化與宏觀非彈性變形耦合作用的過程，裂隙的擴展、彙合和貫通是岩體變形局部化破壞和失穩的前兆和前提，在很大程度上決定著岩體工程的*終破壞模式。
本章介紹岩體裂隙網絡損傷力學效應在試驗和理論方面的研究進展，包括岩體損傷力學機理的試驗研究、岩體的各向異性損傷強度準則和各向異性損傷本構模型三個方面。
1.1 岩體損傷力學機理的試驗研究
對各向同性岩石及含小尺寸割理、層理等裂隙的煤岩、頁岩，裂隙的間距常為毫米或釐米量級[7]，可采用室內試驗研究其宏觀力學行為的細觀損傷力學機制。
Hallbauer等[8]對一組含細粒黏土的石英岩試件，在剛性壓力機上開展了常規三軸壓縮試驗，將它們分別在全應力-應變曲線的不同變形階段進行卸載，對卸載後的試件進行切片後對表面裂隙進行量測，定量地分析了岩石的軸向和側向非彈性變形（體積膨脹）發展與次生裂隙擴展的相關關繫。
Mazumder等[9]利用X射線等先進的數字圖像采集手段及裂隙網絡計算機重構技術，對煤岩的割理裂隙網絡統計參數如方位、間距、張開度等進行了定量的量測。葛修潤等[10]利用與CT機配套的專用加載設備，對煤岩試樣的三軸壓縮試驗加卸載變形全過程進行了實時CT動態掃描，研究了試件變形破壞對應的損傷演化規律，包括微孔洞壓密、微裂紋的萌生、分叉、發展、斷裂和破壞等。來興平等[11]研究了平行、垂直於層理方向加載時煤樣內微破裂的聲發射特征，分析了煤損傷演化的非均勻程度和各向異性。
McLamore和Gray[12]、Niandou等[13]研究了頁岩的三軸壓縮強度隨圍壓和層理傾角的變化規律。Amann等[14]對泥頁岩在超固結、不排水條件下開展了三軸壓縮試驗，研究了其脆延轉換壓力與次生裂隙發展的相關關繫。
對含有大尺寸節理裂隙的岩體，岩體裂隙網絡的損傷力學效應可采用現場原位試驗、室內物理模擬試驗、數值模擬試驗等試驗手段進行研究。
1.1.1 現場原位試驗
節理岩體的原位試驗研究表明[15，16]，岩體的強度、變形模量、縱波波速隨著節理化程度的提高而降低，且與岩塊尺寸有關。在小於某個特征尺寸時，岩體強度隨著尺寸的增大而逐漸減小，大於這一特征尺寸時岩體的強度就基本不變了。盡管原位試驗能用於定性地研究岩體的力學性質，但由於試驗的影響因素較多、有很大的離散性且十分昂貴，因此很難獲得大量試驗數據以建立一般性的岩體本構關繫和強度準則。
1.1.2 物理模擬試驗
岩體中裂隙的間距通常在釐米至米的量級，使得岩體代表性(representative volume element，RVE)的特征尺寸變得非常之大。受試驗機加載能力的限制，目前大型岩體力學試驗做到一米尺寸已屬不易，利用室內試驗直接測定岩體的力學特性是不現實的。而岩體的室內物理模擬試驗和數值模擬試驗研究則能克服這一困難，繫統和有控制地研究裂隙網絡幾何參數對岩體力學性能的影響，因此被廣泛地用於岩體損傷力學的試驗研究。
在岩體的室內物理模擬試驗中，試件可分為兩大類塊堆砌體，即先用岩石模擬材料制成標塊作為對岩塊的模擬，再將它們堆砌起來成為貫通或非貫通的節理岩體模擬試件；②含預制斷續裂隙的試件，在澆築岩石材料模擬試件時預先放置塑料條或金屬條，通過抽條法形成含斷續裂隙的試件作為斷續節理岩體的模擬試件。
塊堆砌體的室內岩石力學試驗研究包括：
（1）單軸壓縮試驗。例如，Kulatilake等[17]對含兩組貫通節理的平板試件，研究了節理傾角對試件單軸壓縮強度、變形和破壞模式的影響。
（2）雙軸壓縮試驗。例如，Yoshinaka和Yamabe[18]的堆砌體雙軸壓縮試驗研究了節理方位、粗糙度對岩體應力-應變曲線特征的影響。
（3）三軸壓縮試驗。例如，Brown和Trollope [19]對含三組正交貫通節理的堆砌體，研究了節理傾角、岩塊尺寸、圍壓對試件的破壞應力、應力-應變曲線類型、脆延轉換應力和破壞模式的影響；Brown[20]對截面為平行四邊形和六邊形的稜柱體堆砌體，研究了三組非正交節理試件的破壞應力、變形模量和破壞模式的影響；Einstein和Hirschfeld [21]對無節理、單個貫通節理、一組貫通節理和兩組正交貫通節理岩體的石膏模擬試件，研究了節理方位、節理間距、節理組數和圍壓對強度、變形和破壞模式的影響，分析了節理岩體抗剪強度的上限和下限以及節理岩體的脆延轉換壓力；Tiwari和Rao[22]對堆砌體開展了常規三軸和真三軸壓縮試驗，研究了節理幾何參數和應力水平對岩體的應變硬化、應變軟化和塑性行為的影響。
含預制斷續裂隙試件的室內岩石力學試驗研究包括：
（1）單軸壓縮試驗。例如，Bobet和Einstein[23]、Shen等[24] 、和Chau[25]、等[26]、和Einstein[27]對含若干個平行預置裂隙的岩石模擬材料試件，研究了進行單軸壓縮下次生裂紋萌生、擴展與彙合過程及試件的斷裂破壞機制。黎立雲等[28]對含多裂隙的高強度白水泥和石膏試件，研究了單軸壓縮下試件的強度、彈性模量及隨裂隙傾角的變化規律。陳新等[29，30]對含多裂隙的石膏試件，研究了裂隙的傾角和連通率組合變化時試件的軸向應力-應變全曲線以及彈性模量、峰值強度、殘餘強度、峰值應變等參數的變化規律。
（2）雙軸壓縮試驗。例如，Prudencio和Jan[31]對含一組預置裂隙的斷續節理岩體模擬試件，研究了節理的間距、傾角、排列方式（重疊角、節理端部交角）和雙軸應力比等參數變化對試件的破壞模式、強度和變形特征的影響。
（3）直接剪切試驗。例如，Lajtai[32]通過預置裂隙岩體的直接剪切試驗研究，提出了節理連通率和節理強度啟動繫數的概念，建立了節理岩體抗剪強度的組合包絡線模型。Gehle和Kutter[33]對若干成階梯狀排列的預置裂隙岩石模擬材料試件及硬岩試件進行了直接剪切試驗

商品搜索

商品分类

【醫學】

【各大出版社】