節(jié)理巖體摩擦律的動力學機制研究

巖石節(jié)理面動摩擦特性的研究是地震預(yù)測的研究熱點之一，本項目研究對巖石節(jié)理面從“波致摩擦”到“慣性摩擦”階段的性能進行了系統(tǒng)的研究，對揭示地震的形成規(guī)律有重要的理論意義，所取得的主要成果如下：（1）基于平板斜撞擊、霍普金森桿束系統(tǒng)等沖擊動力學實驗裝置，結(jié)合桿束系統(tǒng)的節(jié)理滑移實驗技術(shù)、基于小波分析的多點聲發(fā)射實驗技術(shù)、多點紅外測溫技術(shù)等三類技術(shù)系統(tǒng)研究了巖石節(jié)理面從 “波致摩擦”向“慣性摩擦”性狀轉(zhuǎn)化的聲發(fā)射和產(chǎn)熱等物理力學特性。波致摩擦過程節(jié)理面局部具有較大的非均勻變形，這種非均勻性導(dǎo)致的局部破碎的動態(tài)發(fā)展影響節(jié)理面的摩擦特性；節(jié)理面滑移產(chǎn)生的聲發(fā)射信息主要集中在較高頻率范圍，例如在78.25~312.5kHz，而對應(yīng)的產(chǎn)熱的發(fā)展過程與聲發(fā)射基本一致，其溫度變化量級為0.01℃，主要集中在較低頻率范圍。此特性國內(nèi)外尚無報導(dǎo)。（2）基于廣義Dick定律形式，建立了研究節(jié)理巖體從“波致摩擦”到“慣性摩擦”到“滑動摩擦”的理論模型，應(yīng)用此模型對花崗巖、碳化硼粉末、碳化硼塊體等三類材料由于局部化變形導(dǎo)致的破裂發(fā)展規(guī)律進行了弛豫-擴散特性研究，驗證了該模型的適用性。此類研究國內(nèi)外尚無報導(dǎo)。（3）建立了巖石節(jié)理的多尺度離散元模型，對復(fù)雜節(jié)理界面動摩擦性能進行了較系統(tǒng)研究，探討了節(jié)理細微觀形態(tài)、節(jié)理面夾雜物對動摩擦性能的影響，形成了考慮顆粒破碎演化的較可靠的數(shù)值分析方法。(4)建立了壓剪聯(lián)合沖擊、真三軸靜載的巖石動態(tài)實驗、細觀沖擊實驗等從細微觀尺度到宏觀尺度的研究巖石節(jié)理復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下動力學性能的較系統(tǒng)的實驗設(shè)備和實驗技術(shù)。相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外尚無報導(dǎo)。 2100433B

巖體摩擦本構(gòu)關(guān)系的研究是地震孕震及板塊滑動研究中的熱點問題之一,但目前主要集中于滑動摩擦特性的揭示。本項目申請試圖建立測試節(jié)理巖體動摩擦全過程中聲發(fā)射和產(chǎn)熱等物理力學特性的實驗技術(shù)，即基于大口徑的Hopkinson壓桿（SHPB）試驗裝置研制多點聲發(fā)射和多點紅外測溫系統(tǒng)，從而探索節(jié)理巖體從波致（wave-induced）摩擦到慣性摩擦到滑動摩擦這一動摩擦全過程中聲頻和熱等信息的演化規(guī)律，由此建立由聲頻和熱信息定量描述巖體粘滑轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)的方法。在此基礎(chǔ)上，研究界面振動特性對摩擦強度的影響。該研究對于地震機制的認識、對于水利工程、礦山工程和隧道工程中的微地震和巖爆研究、對于工程物探等領(lǐng)域有著十分重要的實用意義。

巖體體積節(jié)理數(shù)指的是每立方米巖體體積內(nèi)的結(jié)構(gòu)面數(shù)目。

n——統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面組數(shù)；

• 中文摘要

現(xiàn)代高精度制導(dǎo)鉆地彈是目前地下工程所面臨的最為常見威脅。在鉆地彈侵入巖體爆炸過程中，爆炸應(yīng)力波在巖體中傳播，導(dǎo)致節(jié)理巖體地下洞室產(chǎn)生一系列動態(tài)響應(yīng)，嚴重影響工程安全。本研究對爆炸應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播以及直墻拱頂節(jié)理巖體洞室錨固抗爆問題進行了分析。在理論研究中，分析了爆炸應(yīng)力波在位移與應(yīng)力連續(xù)條件下縱波與橫波在節(jié)理處的傳播特性，同時亦分析了爆炸應(yīng)力波在位移與應(yīng)力不連續(xù)條件下在具有理想光滑節(jié)理面和含摩擦節(jié)理面處的傳播特性；運用損傷力學相關(guān)知識，建立了巖石中的微裂紋損傷與彈性模量的函數(shù)關(guān)系表達式。在數(shù)值模擬研究中，通過有限元軟件計算了爆炸荷載并驗證了其精確性，采用離散元軟件研究了含節(jié)理巖體的爆炸應(yīng)力波傳播問題，最終通過建立無錨固和有錨固情況下的直墻拱頂節(jié)理巖體洞室，分析其抗爆效果，獲得了錨固對抗爆效果的影響規(guī)律。主要結(jié)論包括：運用動力有限元軟件 ANSYS AUTODYN 建立了巖體爆破模型，在模型炮孔周圍設(shè)置監(jiān)測點，結(jié)合理論解對比分析可知數(shù)值計算所得的爆炸荷載與理論計算值較接近，計算可靠；利用UDEC進行應(yīng)力波透射率的數(shù)值計算結(jié)果與理論計算結(jié)果較為吻合，驗證了UDEC進行應(yīng)力波穿越節(jié)理透射率問題研究的可行性與有效性，其計算能夠保證分析直墻拱頂節(jié)理巖體洞室錨固抗爆的計算精度；錨固對于直墻拱頂節(jié)理巖體洞室具有有效的抗爆能力提升作用。 2100433B

《節(jié)理巖體損傷本構(gòu)模型及工程應(yīng)用》系統(tǒng)介紹了節(jié)理巖體損傷力學試驗、理論模型及其初步工程應(yīng)用。全書共8章。分別介紹節(jié)理巖體損傷力學的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題；節(jié)理巖體的靜態(tài)、動態(tài)試驗研究，包括單軸壓縮試驗、SHPB試驗及擺錘式?jīng)_擊試驗等；基于統(tǒng)計損傷模型的貫通節(jié)理巖體靜態(tài)、動態(tài)損傷本構(gòu)模型：基于元件模型的貫通節(jié)理巖體靜態(tài)、動態(tài)損傷本構(gòu)模型：基于TCK模型的貫通及非貫通節(jié)理巖體動態(tài)損傷本構(gòu)模型；節(jié)理巖體靜態(tài)損傷本構(gòu)模型在邊坡潰屈破壞分析及在巖體強度分析中的應(yīng)用：非貫通節(jié)理巖體動態(tài)損傷本構(gòu)模型在地下礦山礦柱尺寸設(shè)計中的應(yīng)用等內(nèi)容。

《節(jié)理巖體損傷本構(gòu)模型及工程應(yīng)用》可供具有一定力學基礎(chǔ)且從事巖體力學研究工作的技術(shù)人員學習參考．也可供高等院校巖土工程相關(guān)專業(yè)的教師及研究生等參考閱讀。