系统科学在岩石破裂失稳研究中的应用（一）

运用现代系统科学理论，从突变，耗散结构、结构模式对偶性原理及分形等方面对岩石破裂过程中的失稳进行了研究。在本文的第一部分，研究了试验机与岩石试件所组成的作用系统。认为岩石破裂过程的失稳，从结构稳定性来研究是一种突变结构，而从动力学角度来研究这种突变的过程，则又是一种耗散结构。     

系统科学在岩石破裂失稳研究中的应用（二）

运用现代系统科学理论，从突变，耗散结构，结构模式对偶性原理以及分形等方面对岩石破裂过程中的失稳进行了研究，在本文的第二部分，根据自然界结构模式的对偶性原理，研究了岩石破裂的失稳过程与地震孕育序列的一致性，并认为这种一致性究其根源是岩石试件与地壳介质在裂纹分布上存在着微观层次与宏观层次的自相似性。     

岩石水压致裂过程的数值模拟分析

应用岩石破裂失稳的渗流应力耦合分析系统(FRFPA2D),模拟分析了岩石在水力压力作用下破裂失稳过程,对比分析了不同均质度对岩石水压致裂过程的影响·结果表明,岩石的非均匀性对水压致裂的开始压力、失稳压力以及裂纹的扩展路径有很大的影响,对于不均质试样,水压破裂的开始出现要比失稳压力到达早得多,而对于均质试样,破裂初始压力和崩溃压力是不能区分的;同时,岩石的非均匀性也影响着破裂路径的粗糙度和不规则展布,模拟结果和相关实验结果具有较好的一致性·     

岩体工程系统失稳的能量突变判断准则及其应用

在明确区分岩石材料的破坏与岩石工程系统失稳破坏不同含义的基础上，提出了在用有发元计算模拟地下岩石开挖工程和实际工程设计中，不应简单地将岩石材料的破坏与岩石工程系统的破坏用同样的破坏准则加以判断的观点，运用系统能量的原理，借助突变理论的方法，导出央体工程开挖系统失稳破坏的能量突变准则，并将其引入了有限元程序中，用以判断岩体工程系统失稳的可能性，通过对金川二矿区大面积无矿柱胶结充填采场稳定性的有限元模     

砼-岩一体两介质破裂过程中声发射特征试验

研究砼-岩一体两介质在受载条件下的声发射特征,可为预测该类型材料的破裂失稳提供科学依据。为此开展了砼、岩石、砼-岩一体两介质在单轴压缩条件下的声发射特征研究。结果表明:砼-岩一体两介质的能量计数曲线在破裂演化过程中呈现双峰值,峰值1的声发射特征可作为岩石材料失稳的预判;声发射事件的时空演化规律表明砼-岩一体两介质的非稳定破裂发展先从砼材料开始,而后通过砼-岩胶结面诱导岩石材料发生失稳破坏;声发射空间定位聚类结果表明砼材料先发生剪切失稳,而后通过失稳过程中所释放出的断裂动能以及骨料的应力集中,诱导岩石材料发生劈裂破坏。     

水压致裂作用对岩石渗透率影响数值模拟

针对在低渗透油、气田和煤层气开采过程中,水压致裂增透机理应用中的问题.基于流固耦合理论,考虑损伤和应力变化对渗透率的影响,运用岩石破裂过程流固耦合分析系统RFPA,进行了单孔水压致裂过程对岩石渗透率影响的数值模拟研究.实验结果表明,水力压裂过程中水压力不断增加致使裂隙萌生、扩展,岩石破裂失稳;水压力与裂隙长度呈强烈非线性关系;裂隙扩展提高岩体渗透率,渗透率数值上增加1-2个数量级,裂隙扩展过程中主裂隙附近岩体渗透率高于非破坏区岩体渗透率.     

高弹模包体强度对试样破裂模式影响数值试验

应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的RFPA^2D系统，对含高弹模不同强度的包体试样的破裂模式进行了数值试验。结果表明：随着包体强度的增大，包体主声发射位移加载量呈上升趋势；试样最大承载力和临界应力呈上升趋势，残余承载力呈下降趋势；当包体与母岩强度接近时，包体破裂程度低，主声发射频度低；当包体与母岩强度相差较大时，包体破裂程度高，主声发射频率高；当包体强度较小时，剪应力降由包体垂直轴线中央不断向其两端扩展，而当包体强度较大时，剪应力降由包体垂直轴线的两端向其中央扩展。     

低弹模包体强度对试样破裂模式影响的数值试验

应用自行开发的岩石破裂与失稳RFPA^2D系统，对含低弹模不同强度的包体试样的破裂模式进行了数值试验。结果表明：随着包体强度的增大，包体声发射总次数呈明显的下降趋势，而包体主破裂位移加载量呈上升趋势，试样最大承载力呈上升趋势；包体水平轴线上各单位点的剪应力降总是先发生在包体两端位置处，当包体强度较小时，剪应力降由包体水平轴线中央向其两端扩展，当包体强度较大时，由包体水平轴线两端向其中央扩展。     

渗透与水化学作用之受力岩体的破坏机理

运用水文地球化学理论、突变理论和伪张力法分析了受力岩体系统在地下水流体渗透和水化学综合作用下的破坏机理，给出了渗透作用下受压岩石宏观破裂判据．结果表明，渗透作用加剧了受力岩体裂隙相互作用，导致微裂隙扩展及其相互作用发生变化，从而改变裂隙较易聚集的方向；水化学作用使岩体强度降低，其生成的粘土矿物使裂隙扩展张力加大；这两方面的综合作用使得岩体破坏、条件更易满足．讨论了有关斜坡不稳定性问题     

弹性模量对岩石注浆裂缝形成影响分析

为了更深入的了解注浆过程中裂隙的产生规律,采用RFPA-flow软件,建立了裂隙岩体注浆模型,模拟了岩体注浆过程中破裂萌生、扩展、相互作用直至模型失稳破裂的全过程。结果表明:岩体注浆压裂过程中,不同弹性模量的岩石对注浆过程中裂纹产生的结果有较大的影响,弹性模量的改变会影响岩石的初始破裂压力,随着弹性模量的增加,岩石所需的破裂压力越大且岩石越难破裂,岩体模型失稳所需的注浆压力也随之增加。只改变岩石的弹性模量而不改变其他条件下,由于岩石破裂难度的提升浆液的流动难度也随之增加,弹性模量越大的岩石浆液越难流动。研究结果揭示不同弹性模量的岩石在相同条件下的注浆致裂裂纹形成规律,旨在对现场施工进行理论指导。     

突变理论在区域性黄土工程特性评价中的应用

随着人类工程活动的发展,人们逐渐认识到岩土体的变形破坏及其演化过程中受到多种相互影响的因素的制约,表现为一种非线性过程,已经不能用传统线性规律去考虑了。正因为如此,非线性科学迅速在岩土工程领域中得到广泛应用。本文以区域性黄土为例,运用非线性科学中的突变理论分析其特殊的工程特性。     

洞室层裂屈曲岩爆的突变模型

建立了洞室层裂屈曲岩爆的突变模型,得出了洞室层裂屈曲岩爆在准静态破坏条件下的演化规律.引入一个函数表征内层岩体对外层岩体的约束作用,使洞室层裂屈曲岩爆模型更接近实际,更能反映层裂屈曲岩爆的演化规律.此外,还建立了动力扰动下洞室层裂屈曲岩爆的非线性动力学模型.研究结果表明: 洞室层裂屈曲岩爆的演化过程复杂;洞室层裂屈曲岩爆与否,不仅取决于岩体的内因如几何尺寸和岩石的性质等,还取决于外部作用力的大小和方式;动力扰动与粘弹性层状结构岩体的响应存在着非线性关系;该模型对扰动频率非常敏感,扰动频率满足一定条件是动力扰动下洞室发生层裂屈曲岩爆的必要条件;而模型对扰动力幅反应不敏感;在动力扰动下,洞室层裂屈曲岩爆演化过程中,竖向压力起决定性作用.     

地层沉陷中的突变现象及其研究进展

通过大量的现场勘测、相似材料模拟实验和数值模拟,发现了地层沉陷中的突变现象,系统地研究了地层沉陷过程中的岩体突变破坏机理,展望了地层沉陷突变现象的发生和机理研究的理论价值和工程意义。     

强降雨作用下岩质边坡失稳的尖点突变分析

根据岩质边坡的地质力学模型,综合考虑降雨、应变软化、水致弱化等因素,给出岩质边坡软弱夹层介质的本构关系,从系统能量的角度出发,建立尖点突变模型,经过数理推导得出岩质边坡失稳的判据。通过实例计算表明：运用刚性极限平衡法计算得边坡稳定性系数Kc为0.989,小于1,即边坡不稳定;运用尖点突变理论计算得边坡系统的控制变量a为0.078,大于0,即边坡稳定,与实际相符。说明本文给出的强降雨作用下岩质边坡稳定性的判据正确,并优于刚性极限平衡法。     

脆性岩石全应力应变过程中渗透性突变研究

针对岩体结构与渗透性对应关系的复杂性,直接建立二者的量化关系模型存在极大的技术难度问题,利用伺服渗透试验结果,分析脆性岩石全应力应变过程中渗透性演化和加载变形破坏特征,得出渗透性变化过程中存在跳跃突变点,该点处的应力和临界破坏强度以及岩石体胀点处应力处于同一应力水平;通过岩石统计强度分析,借助重整化群理论,在岩石试样承载能力概率函数基础上推导出脆性岩石临界破坏强度与峰值应力比值的表达式,该比值随围压增大而减小.用该公式预测伺服渗透试验中的渗透性突变点位置.研究结果表明:大多数脆性岩石预测值与试验值较吻合,误差在-0.089～0.058之间,验证了该表达式的合理性.     

煤层突出的突变模式

根据突变理论建立了煤层突出的尖点型突变模型，直观地刻划出煤体自由表面处发生的渐近变形破坏和冲击失稳破坏等工程现象。     

硬岩矿柱纵向劈裂失稳突变理论分析

应用断裂力学理论讨论硬岩矿柱初始裂纹在上覆岩层作用下贯通形成层状结构的机理, 指出裂纹间相互作用引起裂纹的失稳扩展, 从而相互连接形成层状结构. 在此基础上, 应用能量原理及突变理论推导矿柱失稳的临界载荷及临界应力, 提出矿柱发生失稳的屈曲模型. 研究结果表明： 矿柱发生失稳与分裂岩层的屈曲破坏有关;而岩层的屈曲除与岩石的材料参数有关外, 还与分裂后的厚度即裂纹的分布有关;算例计算值与实际经验值相一致, 可为合理安排开采顺序、布置采场等提供依据.     

流变岩体中三向压力传感器的应力恢复规律模拟研究

流变应力恢复法是一种专门针对深部软弱围岩提出的地应力测量新方法;该方法在围岩钻孔中埋置三向压应力传感器,并注浆充填密实,进而根据传感器的实测恢复应力来分析围岩的初始应力状态和巷道围岩应力分布及演化。压力传感器实测应力的恢复规律是流变应力恢复法需要解决的关键问题之一。采用数值方法模拟流变应力恢复法的测试过程,研究不同围岩黏弹性模型、不同围岩参数、不同地应力状态以及不同注浆材料模量参数对三向压应力传感器实测应力的影响规律;同时,基于大量文献中的流变试验数据,得到了不同围岩等级下传感器实测应力的恢复规律。该研究为流变应力恢复法的成功实施提供了理论依据。