数字散斑相关方法用于岩石结构破坏过程观测

文章介绍了数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理及用DSCM进行岩石力学实验观测的观测系统，接着用此系统进行了一个岩石圆孔结构变形破坏过程的变形场观测，实验结果显示了此种岩石结构的复杂破坏过程。岩石结构的破坏经历损伤的积累及局部化过程，结构最终沿某一局部化带发生宏观破坏，但局部化带的演化在时间和空间上均不稳定，甚至存在跳跃与竞争现象。     

基于相场法的岩石三点弯曲细观破坏数值模拟

岩石中裂纹的起裂、扩展和贯通等行为是研究岩石变形、强度及稳定性的关键力学问题,通过数值方法预测和分析裂纹扩展行为具有重要意义。相场法在严谨准确的理论框架内,克服了传统断裂力学理论及数值计算方法显式追踪裂纹面的挑战,能很好地模拟裂纹起裂、扩展、分叉和多裂纹相互贯通。本文通过裂纹扩展主要区域建立了能够反映岩石内部细观结构的多尺度模型,利用相场法从细观力学尺度预测和分析了岩石三点弯曲时内部裂纹的起裂、扩展和贯通的破坏过程,分析了矿物颗粒的位置分布和能量释放率等参数对裂纹扩展行为的影响规律。通过与室内岩石三点弯曲宏观和细观试验对比分析,结果表明,相场法能够很好地模拟和预测具有复杂细观结构的岩石内裂纹的萌生、扩展和贯通的破坏过程。     

数字散斑相关方法用于岩石结构破坏过程观测

介绍了数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理及用DSCM进行岩石力学实验观测的观测系统,用此系统进行了一个岩石圆孔结构变形破坏过程的变形场观测,实验结果显示了此种岩石结构的复杂破坏过程。岩石结构的破坏经历损伤的积累及局部化过程,结构最终沿某一局部化带发生宏观破坏,但局部化带的演化在时间和空间上均不稳定,甚至存在跳跃与竞争现象。     

基于声发射检测的岩石材料非均质性评价与分类研究

对于深部岩石力学和地下工程而言，准确表征与评价岩石的非均质性，对于研究岩石在深部复杂环境下物理力学性质的变异性至关重要。由于岩石成分的复杂性和矿物分布的随机性，采用传统的图像观察方法难以准确的表述岩石的非均质性，因此，亟需寻找一种科学、实用的试验方法对岩石的非均质性进行表征评价。本文假设同种岩石具有相同的矿物几何特征及边界特征（即岩石的微观基质相同），岩石在破坏过程中强相矿物破坏的声发射信号相比于弱相矿物破坏的声发射信号较多。岩石巴西劈裂过程中轴线上的破裂可以近似的认为岩石内部强弱相矿物的依次破裂，通过统计不同应力阶段岩石的声发射信号特征可以间接的分析岩石内部强弱相矿物的差异性。基于此，通过定义岩石强弱相矿物占比及矿物空间分布的均匀性表征出了岩石的非均质性。之后选取不同特征变辉长岩和花岗岩验证了分析方法的科学性和实用性。最后，本文在岩石非均质性评价的基础上探究了岩石宏观力学参数与岩石非均质特征的相关性。单轴和三轴试验表明，岩石的峰值强度和弹性模量不仅仅与岩石强弱相矿物占比有关，也与岩石矿物空间分布的均匀性相关。     

高应力下脆性岩石卸荷力学特性及数值模拟

高地应力下脆性岩体工程开挖变形机理、稳定性评价及灾害控制技术研究一直是岩石力学和工程地质研究的难点问题。基于高应力下脆性岩石卸荷力学试验分析,明确了卸荷过程中的岩石力学参数及变形破坏演化规律,发现高应力下脆性岩石的破坏具有较明显的应变强度特征。分析了高应力下脆性岩石卸荷破坏采用张拉屈服的Griffith应变强度准则的合理性,建立了考虑卸荷屈服引起岩体力学参数变化的弹脆塑性数值计算方法,并在实际工程中得以验证。     

岩石脆性破裂断口的分形特征

系统总结了岩石脆性破裂断口分维的计算方法及其局限性，指出岩石脆性破裂断口的分形研究应在宏观和微观层次上进行，同时应注意考察断口分维参数的物理意义，断口结构特征是岩石动态破坏过程的静态反映，蕴含着岩石断裂机制的各种信息，分维可作为断口定量描述的参数。     

岩石的损伤机理及其力学特性研究

岩石损伤力学是八十年代发展起来的岩石力学研究的新分支，主要研究岩石在载荷作用下微裂纹、微孔洞发展，最后导致破坏的过程与规律。由于岩石力学性质的复杂性，目前还没有建立成熟和实用的岩石损伤演化模型。因此，探讨更符合岩石力学性质的损伤演化机理具有重要的理论与实际意义。     

基于Weibull统计分布的岩石损伤模型

基于岩石内部裂隙和孔隙分布的随机性,运用连续损伤力学理论,建立了围压与轴压共同作用下岩石的统计损伤模型;结合岩石应力应变曲线的特征参量确定了模型参数,增强了模型的适应性;探讨了岩石损伤的演化性态及其宏观表现,并通过试验对模型进行了验证.结果表明:岩石的宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应,其损伤演化途径反映了岩石变形破坏的全过程;模型理论曲线与试验实测曲线具有较高的吻合度,验证了模型的合理性.     

片状岩石全应力应变压缩过程及力学机制试验研究

为了解片状岩石的全应力应变压缩过程及力学机制,利用RMT-150C岩石力学刚性伺服试验系统,对绿泥石片岩和云母石英片岩进行压缩力学试验.基于试验结果,得到岩石全应力应变压缩过程,提出峰前压密、线弹性、微裂隙稳态扩展和微裂隙不稳态扩展4个变形阶段以及峰后应变软化、残余应力稳定两个变形阶段,分析岩石在各阶段的强度变形特性以及体应变、横向应变和轴向应变之间的关系;详细探讨压缩条件下水对试样物理力学性质的影响规律,重点对比峰值强度、弹性(变形)模量等指标的敏感程度和围压效应;并揭示片状岩石在压缩状态下的破裂模式,将整个破坏过程分为单一剪切破裂、鼓状破裂、Y字形破裂及平行劈裂4种形式.     

加载速率对红砂岩力学效应的试验研究

采用伺服刚性试验机对５４块红砂岩试件进行了９级不同应变加载速率下的单轴压缩室内测试，定量分析了应变速率对材料单轴抗压强度、与峰值强度对应的应变、破坏后的变形模量，以及破裂形式等物理力学性态的影响，按实测数据回归得出的经验公式可用于估算应速率变化剧烈状况下岩石的修正强度和变形量。     

基于古应力场模拟的多期区域构造裂缝分布预测评价技术—以中国泌阳凹陷安棚油田为例*

天然裂缝是地层中常见的地质构造现象,系统研究目标区储集层裂缝的分布及发育规律,这对于提高井区产能和调整开发方案具有重要的理论和实际意义。以安棚油田深层系为例,介绍基于古应力场模拟的多期次区域构造裂缝分布预测技术。根据各类岩心资料对裂缝的组系特征、力学性质进行解释和评价,结合研究区构造演化特征,进行岩石破裂力学机理分析,明确了研究区裂缝成因类型主要为区域构造裂缝,为本次裂缝的分布预测技术奠定了基础。结合野外岩心裂缝特征、裂缝充填物次生方解石稳定同位素测定及储层岩石声发射实验结果,确定储层岩石的破裂期次。参考研究区的地质、构造、沉积相展布资料,以岩石力学和构造力学理论为基础,对研究区建立地质模型、力学模型,并分期次进行古应力场模拟研究。结合摩尔-库伦岩石强度理论,通过裂缝发育指数和岩石受力破裂程度多元拟合对研究区裂缝进行预测及评价。     

泥化弱胶结软岩巷道底板变形破坏机理分析

煤矿软岩巷道极易发生变形破坏,底臌量大是其重要的特征.以新上海一号煤矿副井绕道巷道为工程背景,研究了泥化弱胶结软岩巷道底板的变形破坏机理.从现场选取岩样进行室内实验,研究发现围岩具有强度低、胶结程度差、遇水泥化软化、吸水膨胀等特殊的物理力学性质;结合现场监测数据和数值模拟结果,巷道底板变形速度快、持续时间长、总变形量大且不收敛,是以流变和膨胀为主的非线性大变形;底板破坏与变形增加的趋势一致,塑性区发展速度前期快,后期慢,但范围不断扩大;通过机理分析,巷道底板的变形破坏是在水和构造应力耦合作用下的恶性循环的结果,底臌为流动膨胀复合型,治理的关键是治水和加强支护.以上述理论为指导,对巷道支护方案进行了优化,监测数据显示底板变形破坏得到了有效控制.     

急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理

为了研究急倾斜矿体开采的岩移规律与变形机理,采用数值模拟的方法,对急倾斜矿体在高构造应力和自重应力2种条件下的岩移特征进行对比分析.研究结果表明:当开采区在竖直方向上的高度远小于矿体在水平方向上的长度时,在这2种应力条件下都具有类似水平矿体开采的地表岩移特征;反之,在高构造应力条件下,急倾斜矿体开采地表出现双沉降中心的现象,而在自重应力条件下只存在单沉降中心;在高构造应力条件下,急倾斜矿体开采在地表移动变形量、移动变形影响区规模及地表宏观变形破坏特征上与自重应力条件下相比都有较大差异,原岩应力场中作为特征量的最大主压应力的取向对岩移行为的影响是产生这差异的根本原因.     

基于SMP准则的冻融受荷岩石损伤软化模型

运用损伤理论研究岩石的本构关系一直是岩石力学的热点问题。为进一步深入研究岩石的本构关系,本文根据现有损伤理论,基于SMP破坏准则,采用双参数Weibull统计损伤分布描述岩石微元体的破坏,定量分析了冻融受荷岩石损伤软化规律,构建了冻融受荷岩石统计损伤软化模型,并运用峰值点的偏导数方法确定其参数,最后引用前人相关力学试验数据对模型的合理性进行验证。研究表明：所建的预测模型曲线可以表征岩石的损伤变形,验证了冻融受荷岩石损伤软化过程的一般规律;运用SMP准则可以对冻融-荷载作用下岩石变形特性进行刻画,为冻融荷载作用下岩石变形破坏机制提供了思路。     

疏松砂岩油藏出砂状况模拟技术研究

在系统研究影响油藏出砂因素的基础上,采用人工神经网络BP模型,首先从理论上研究了引起地层砂粒运移的最低地层流体流速———门限流速预测方法,并建立了实际日产量较大时的地层最大出砂半径计算模型;然后,结合岩石力学、渗流力学等知识,建立了引起岩石结构破坏的临界井底流压的计算模型,并推导了当实际井底流压小于临界井底流压,因岩石结构破坏而引起大量出砂时,出砂半径的计算公式,同时,给出了防砂工艺设计中抑砂剂用量和固体防砂剂用量的计算式,避免了防砂剂量设计的盲目性。现场应用表明,建立的计算模型可明显提高防砂措施的成功率和有效期。     

疏松砂岩油藏出砂状况模拟技术研究

在系统研究影响油藏出砂因素的基础上，采用人工神经网络BP模型，首先从理论上研究了引起地层砂粒运移的最低地层流体流速——门限流速预测方法，并建立了实际日产量较大时的地层最大出砂半径计算模型；然后，结合岩石力学、渗流力学等知识，建立了引起岩石结构破坏的临界井底流压的计算模型，并推导了当实际井底流压小于临界井底流压，因岩石结构破坏而引起大量出砂时，出砂半径的计算公式，同时，给出了防砂工艺设计中抑砂剂用量和固体防砂剂用量的计算式，避免了防砂剂量设计的盲目性。现场应用表明，建立的计算模型可明显提高防砂措施的成功率和有效期。     

深部高应力松软岩层稳定性监测及实验研究

深部开采中巷道维护理论与浅部有十分明显的区别。这种差别的根源在于岩石赋存环境上的差异，尤其是深部高应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为。通过对宁夏石嘴山一矿38区＋600m轨道巷的工程地质调查、岩石力学实验、围岩变形与应力观测等，获得了宝贵的数据信息，为现场进行工业化试验和最终解决采掘接续和安全开采提供了科学依据。     

川中红层岩体结构裂隙发育特征及多尺度分析

四川盆地红层岩体宏细观裂隙发育,是影响其卸荷变形、吸水风化膨胀和工程特性的控制因素,近年来出现的多起高速铁路深挖红层路堑型路基持续超限上拱变形病害与此有关.为了解红层软岩裂隙发育特征,在原位岩体所有节理裂隙进行现场调查和测量统计基础上,采用统计岩体力学的方法,从不同尺度对岩体结构裂隙进行了深入系统的分析.结果表明,大尺...     

岩体中爆炸与冲击下的破坏研究

阐明了揭示岩体中爆炸与冲击真实的变形与破坏过程必须继续研究基于微观物理原理和细观物理力学的理论。建立简单工程实用的介质在爆炸和 冲击作用下的统一的分阶段连贯的不同时空尺寸的动力构模型，必须研究材料爆炸和冲击下的在不同的特征能量尺度及其传输速度下统一的分阶段连贯的动力破坏过程和动力破坏准则。     

岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石I型裂纹弹塑性损伤破坏问题。对比分析表明,宏观尺度研究I型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性。