節(jié)理巖體摩擦律的動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究中文摘要

巖體摩擦本構(gòu)關(guān)系的研究是地震孕震及板塊滑動(dòng)研究中的熱點(diǎn)問題之一,但目前主要集中于滑動(dòng)摩擦特性的揭示。本項(xiàng)目申請(qǐng)?jiān)噲D建立測(cè)試節(jié)理巖體動(dòng)摩擦全過程中聲發(fā)射和產(chǎn)熱等物理力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，即基于大口徑的Hopkinson壓桿（SHPB）試驗(yàn)裝置研制多點(diǎn)聲發(fā)射和多點(diǎn)紅外測(cè)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(dòng)摩擦這一動(dòng)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(dòng)特性對(duì)摩擦強(qiáng)度的影響。該研究對(duì)于地震機(jī)制的認(rèn)識(shí)、對(duì)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(duì)于工程物探等領(lǐng)域有著十分重要的實(shí)用意義。

巖石節(jié)理面動(dòng)摩擦特性的研究是地震預(yù)測(cè)的研究熱點(diǎn)之一，本項(xiàng)目研究對(duì)巖石節(jié)理面從“波致摩擦”到“慣性摩擦”階段的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對(duì)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(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合桿束系統(tǒng)的節(jié)理滑移實(shí)驗(yàn)技術(shù)、基于小波分析的多點(diǎn)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)、多點(diǎn)紅外測(cè)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(xué)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(dòng)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(duì)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(jí)為0.01℃，主要集中在較低頻率范圍。此特性國內(nèi)外尚無報(bào)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(dòng)摩擦”的理論模型，應(yīng)用此模型對(duì)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(jìn)行了弛豫-擴(kuò)散特性研究，驗(yàn)證了該模型的適用性。此類研究國內(nèi)外尚無報(bào)導(dǎo)。（3）建立了巖石節(jié)理的多尺度離散元模型，對(duì)復(fù)雜節(jié)理界面動(dòng)摩擦性能進(jìn)行了較系統(tǒng)研究，探討了節(jié)理細(xì)微觀形態(tài)、節(jié)理面夾雜物對(duì)動(dòng)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(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)、細(xì)觀沖擊實(shí)驗(yàn)等從細(xì)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(dòng)力學(xué)性能的較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外尚無報(bào)導(dǎo)。 2100433B

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(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，嚴(yán)重影響工程安全。本研究對(duì)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(jìn)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(shí)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(yùn)用損傷力學(xué)相關(guān)知識(shí)，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(dá)式。在數(shù)值模擬研究中，通過有限元軟件計(jì)算了爆炸荷載并驗(yàn)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(duì)抗爆效果的影響規(guī)律。主要結(jié)論包括：運(yùn)用動(dòng)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(cè)點(diǎn)，結(jié)合理論解對(duì)比分析可知數(shù)值計(jì)算所得的爆炸荷載與理論計(jì)算值較接近，計(jì)算可靠；利用UDEC進(jìn)行應(yīng)力波透射率的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了UDEC進(jìn)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(jì)算能夠保證分析直墻拱頂節(jié)理巖體洞室錨固抗爆的計(jì)算精度；錨固對(duì)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(xué)試驗(yàn)、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(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題；節(jié)理巖體的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究，包括單軸壓縮試驗(yàn)、SHPB試驗(yàn)及擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)等；基于統(tǒng)計(jì)損傷模型的貫通節(jié)理巖體靜態(tài)、動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)度分析中的應(yīng)用：非貫通節(jié)理巖體動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型在地下礦山礦柱尺寸設(shè)計(jì)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(xué)基礎(chǔ)且從事巖體力學(xué)研究工作的技術(shù)人員學(xué)習(xí)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。