節(jié)理巖體損傷本構(gòu)模型及工程應用

1 緒論

1．1 引言

1．2 巖體動態(tài)、靜態(tài)力學特性試驗研究進展及評述

1．2．1 巖體靜態(tài)力學特性的試驗研究進展

1．2．2 巖體動態(tài)力學特性的試驗研究進展

1．2．3 研究評述

1．3 巖體動態(tài)、靜態(tài)損傷本構(gòu)模型研究進展及評述

1．3．1 巖體靜態(tài)損傷本構(gòu)模型研究進展

1．3．2 巖體動態(tài)損傷本構(gòu)模型研究進展及評述

1．3．3 研究評述

1．4 巖體動態(tài)、靜態(tài)損傷數(shù)值計算研究進展及評述

1．4．1 巖體靜態(tài)損傷數(shù)值計算研究進展

1．4．2 巖體動態(tài)損傷數(shù)值計算研究進展

1．4．3 研究評述

1．5 本書的主要內(nèi)容

2 節(jié)理巖體力學特性的試驗研究

2．1 引言

2．2 節(jié)理巖體靜態(tài)單軸壓縮試驗

2．2．1 試驗概況

2．2．2 試驗結(jié)果及分析

2．2．3 試驗結(jié)論

2．3 同時考慮宏觀、細觀缺陷的節(jié)理巖體靜態(tài)單軸壓縮試驗

2．3．1 試驗概況

2．3．2 試驗結(jié)果及分析

2．3．3 試驗結(jié)論

2．4 節(jié)理巖體動態(tài)SHPB試驗

2．4．1 試驗概況

2．4．2 試驗結(jié)果及分析

2．4．3 試驗結(jié)論

2．5 石灰?guī)r節(jié)理試件動態(tài)SHPB試驗

2．5．1 試驗概況

2．5．2 試驗結(jié)果及分析

2．5．3 試驗結(jié)論

2．6 節(jié)理巖體動態(tài)擺錘式?jīng)_擊試驗

2．6．1 擺錘式，中擊試驗原理及試驗方案

2．6．2 試驗結(jié)果及分析

2．6．3 試驗結(jié)論

3 基于統(tǒng)計損傷模型的貫通節(jié)理巖體損傷本構(gòu)模型

3．1 引言

3．2 巖石損傷統(tǒng)計本構(gòu)模型

3．2．1 巖石微元強度準則

3．2．2 巖石微元強度隨機分布函數(shù)及相應的損傷模型

3．3 節(jié)理巖體損傷介質(zhì)力學模型

3．3．1 損傷張量的定義

3．3．2 損傷演化方程

3．3．3 含損傷的本構(gòu)方程

3．4 考慮宏觀、細觀缺陷耦合的節(jié)理巖體靜態(tài)損傷本構(gòu)模型

3．4．1 宏觀、細觀缺陷耦合損傷變量計算方法

3．4．2 巖體靜態(tài)損傷本構(gòu)模型的建立

3．4．3 算例分析

3．5 含單條貫通節(jié)理的巖體單軸壓縮損傷本構(gòu)模型

3．5．1 貫通節(jié)理巖體的破壞機理分析

3．5．2 貫通節(jié)理巖體損傷變量的計算

3．5．3 考慮宏觀、細觀缺陷耦合的貫通節(jié)理巖體單軸壓縮損傷本構(gòu)模型

3．5．4 算例分析

3．6 考慮宏觀、細觀損傷耦合的貫通節(jié)理巖體動態(tài)損傷本構(gòu)模型

3．6．1 本構(gòu)模型的建立

3．6．2 參數(shù)確定

3．6．3 算例分析

4 基于元件模型的貫通節(jié)理巖體損傷本構(gòu)模型

4．1 引言

4．2 元件模型理論

4．2．1 結(jié)構(gòu)體變形機制元件

4．2．2 結(jié)構(gòu)面變形機制元件

4．3 貫通節(jié)理巖體單軸壓縮靜態(tài)損傷本構(gòu)模型

4．3．1 基于巖塊和節(jié)理變形組合的巖體壓縮變形本構(gòu)方程

4．3．2 算例分析

4．4 貫通節(jié)理巖體三軸壓縮靜態(tài)損傷本構(gòu)模型

4．4．1 三軸壓縮下巖塊與節(jié)理面的變形本構(gòu)方程

4．4．2 算例分析

4．5 考慮節(jié)理剪切強度的貫通節(jié)理巖體單軸壓縮靜態(tài)損傷本構(gòu)模型

4．5．1 考慮節(jié)理剪切強度對模型的修正

4．5．2 算例分析

4．6 考慮節(jié)理剪切強度的貫通節(jié)理巖體動態(tài)單軸壓縮變形本構(gòu)模型

4．6．1 本構(gòu)模型的建立

4．6．2 本構(gòu)模型的參數(shù)確定方法

5 基于TCK模型的貫通節(jié)理巖體動態(tài)損傷本構(gòu)模型

5．1 引言

5．2 巖石細觀動態(tài)損傷本構(gòu)模型

5．2．1 基于TCK的巖石細觀動態(tài)損傷本構(gòu)模型

5．2．2 算例分析

5．3 基于宏觀、細觀缺陷耦合的貫通節(jié)理巖體復合損傷張量

5．3．1 貫通節(jié)理巖體細觀損傷變量

5．3．2 貫通節(jié)理巖體宏觀損傷張量

5．3．3 貫通節(jié)理巖體宏細觀缺陷耦合損傷變量

5．4 基于宏觀、細觀缺陷耦合的貫通節(jié)理巖體動態(tài)損傷本構(gòu)模型

5．4．1 基于TCK模型的巖體動態(tài)損傷本構(gòu)方程

5．4．2 算例分析

5．4．3 模型驗證

6 基于TCK模型的非貫通節(jié)理巖體動態(tài)損傷本構(gòu)模型

6．1 引言

6．2 單軸壓縮下非貫通節(jié)理巖體宏觀損傷張量計算

6．2．1 非貫通節(jié)理巖體單軸壓縮荷載作用方向上的損傷變量計算

6．2．2 應力強度因子計算

6．2．3 損傷變量的張量化

6．2．4 算例分析

6．3 雙軸壓縮下非貫通節(jié)理巖體宏觀損傷張量計算

6．3．1 非貫通節(jié)理巖體雙軸壓縮荷載作用方向上的損傷變量計算

6．3．2 應力強度因子計算

6．3．3 算例分析

6．4 考慮宏細觀缺陷耦合的非貫通節(jié)理巖體動態(tài)損傷本構(gòu)模型

6．5 非貫通節(jié)理巖體彈性矩陣的確定

6．6 算例分析

6．6．1 含單組非貫通閉合節(jié)理的巖體力學特性

6．6．2 載荷應變率對巖體動力學特性的影響

6．6．3 節(jié)理內(nèi)摩擦角對巖體動力學特性的影響

6．6．4 節(jié)理法向及切向剛度對巖體動力學特性的影響

6．6．5 節(jié)理厚度對巖體動力學特性的影響

6．6．6 節(jié)理傾角對巖體動力學特性的影響

6．7 模型驗證

7 綜合考慮宏觀、細觀缺陷的巖體靜態(tài)破壞機理及強度分析

7．1 引言

7．2 綜合考慮宏觀、細觀缺陷的巖體破壞機理

7．2．1 巖體材料破壞現(xiàn)象及破壞機理

7．2．2 直立層狀巖質(zhì)邊坡潰屈破壞機理研究

7．2．3 順傾層狀巖質(zhì)邊坡潰屈破壞機理研究

7．3 綜合考慮宏觀、細觀缺陷的巖體強度分析

7．3．1 僅考慮宏觀缺陷時的巖體強度分析

7．3．2 綜合考慮宏觀、細觀缺陷時的巖體強度分析

8 考慮采礦爆破荷載的地下礦山礦柱尺寸設(shè)計

8．1 引言

8．2 石人溝鐵礦地下開采工程簡介

8．2．1 礦山概述

8．2．2 礦山地質(zhì)概況

8．2．3 礦體開采總體設(shè)計

8．2．4 采場爆破設(shè)計方案

8．3 考慮爆破動荷載吋的礦柱尺寸設(shè)計

8．3．1 動載荷作用下完整礦柱尺寸計算方法

8．3．2 動載荷作用下含非貫通節(jié)理的礦柱尺寸計算方法

參考文獻 2100433B

《節(jié)理巖體損傷本構(gòu)模型及工程應用》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)計中的應用等內(nèi)容。

《節(jié)理巖體損傷本構(gòu)模型及工程應用》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。

《加錨斷續(xù)節(jié)理巖體破壞機理及工程應用》以水電和隧道工程中斷續(xù)節(jié)理巖體為研究背景，利用CT掃描和聲發(fā)射技術(shù)對加錨斷續(xù)節(jié)理巖體破壞機理開展了大量的試驗研究，在試驗的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值模擬研究。提出了斷續(xù)節(jié)理巖體裂隙擴展的力學本構(gòu)模型、損傷演化方程和錨固止裂模型；建立了加錨三維裂隙巖體失穩(wěn)破壞的突變模型和可有效反映錨固效應的三維加錨斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷本構(gòu)模型；開發(fā)出適合斷續(xù)節(jié)理巖體特點的三維大型有限元程序，為巖體工程穩(wěn)定性評價和布錨參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。其成果成功應用于國內(nèi)多個大型水電與隧道工程中，取得顯著效果。

《加錨斷續(xù)節(jié)理巖體破壞機理及工程應用》可供從事土木工程、水電工程、隧道工程、礦山工程等領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員和大專院校師生參考使用。

巖石力學與工程研究著作叢書》序

《巖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 引言

1.2 概述

1.2.1 節(jié)理巖體與錨桿加固理論研究現(xiàn)狀

1.2.2 節(jié)理巖體裂隙擴展研究現(xiàn)狀

1.2.3 CT技術(shù)在巖石力學中的應用研究現(xiàn)狀

1.2.4 聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學中的應用研究現(xiàn)狀

1.3 本書研究方法和內(nèi)容

1.3.1 本書的研究方法

1.3.2 本書研究內(nèi)容

參考文獻

第2章 節(jié)理巖體裂隙擴展的CT試驗

2.1 引言

2.2 CT技術(shù)原理

2.2.1 CT技術(shù)檢測原理

2.2.2 CT試驗可以解決的巖石力學問題

2.3 試驗設(shè)備

2.3.1 本試驗的CT機配套設(shè)備簡介

2.3.2 CT圖像信息的提取

2.4 試件的加工制作

2.4.1 試件加工材料的選取

2.4.2 含裂隙試件加工示意圖

2.4.3 試件的測量

2.4.4 試驗方法

2.5 單裂隙試件單軸壓縮的裂紋擴展CT試驗研究

2.5.1 單裂隙試件單軸壓縮的CT試驗

2.5.2 方案一——同心圓區(qū)域CT分析

2.5.3 方案二——等圓區(qū)域CT分析

2.5.4 方案三——等橢圓區(qū)域CT分析

2.5.5 縱向CT掃描圖像分析

2.5.6 密度應力分析

2.5.7 損傷變量分析

2.5.8 裂隙擴展寬度的估算方法

2.5.9 小結(jié)

2.6 雙裂隙試件單軸壓縮的裂紋擴展CT試驗研究

2.6.1 含44°雙裂隙試件單軸壓縮的CT試驗

2.6.2 方案一——同心圓區(qū)域CT分析

2.6.3 方案二——等圓區(qū)域CT分析

2.6.4 方案三——等橢圓區(qū)域CT分析

2.6.5 縱向CT掃描圖像分析

2.6.6 小結(jié)

2.7 單裂隙試件三軸壓縮的裂紋擴展CT試驗研究

2.7.1 含19°單裂隙試件三軸壓縮的CT試驗

2.7.2 方案一——同心圓區(qū)域CT分析

2.7.3 方案二——等圓區(qū)域CT分析

2.7.4 方案三——等橢圓區(qū)域CT分析

2.7.5 縱向CT掃描圖像分析

2.7.6 小結(jié)

2.8 雙裂隙試件三軸壓縮的裂紋擴展CT試驗研究

2.8.1 含36°雙裂隙試件三軸壓縮的CT試驗

2.8.2 方案一——同心圓區(qū)域CT分析

2.8.3 方案二——等圓區(qū)域CT分析

2.8.4 方案三——等橢圓區(qū)域CT分析

2.8.5 縱向CT掃描圖像分析

2.8.6 小結(jié)

參考文獻

第3章 節(jié)理巖體裂隙斷裂聲發(fā)射試驗研究

3.1 引言

3.2 測試系統(tǒng)

3.3 不同材料內(nèi)置裂隙擴展及貫通規(guī)律

3.3.1 試驗材料及試樣制備

3.3.2 三維裂隙的制作

3.3.3 均質(zhì)材料中裂隙擴展與貫通

3.3.4 非均質(zhì)材料的擴展特征

3.3.5 小結(jié)

3.4 表面裂隙擴展模式及其斷裂機理

3.4.1 試驗研究

3.4.2 試驗結(jié)果及討論

3.4.3 表面裂隙附近應變分析

3.4.4 表面裂隙擴展的聲發(fā)射試驗研究

3.4.5 裂隙深度比對斷裂模式及強度的影響

3.4.6 砂巖中表面裂隙擴展破裂

3.4.7 反翼裂紋產(chǎn)生的力學機理

3.4.8 小結(jié)

參考文獻

第4章 拉伸狀態(tài)下節(jié)理巖體裂隙擴展試驗研究

4.1 引言

4.2 改進的直接拉伸試驗技術(shù)

4.2.1 現(xiàn)有主要直接拉伸試驗技術(shù)

4.2.2 改進的直接拉伸試驗技術(shù)

4.3 拉伸狀態(tài)下三維內(nèi)置裂隙擴展試驗研究

4.3.1 試驗材料和含裂隙試件的制備

4.3.2 拉伸試驗裝置和測試系統(tǒng)

4.3.3 含裂隙試件拉伸力學和斷裂特征

4.3.4 裂隙傾角對試件力學性能和斷裂特征的影響

4.3.5 小結(jié)

4.4 拉伸狀態(tài)下三維表面裂隙擴展試驗研究

4.4.1 試件制作

4.4.2 試驗結(jié)果及分析

參考文獻

第5章 節(jié)理巖體中錨桿加固止裂試驗研究

5.1 引言

5.2 試件的加工制作

5.2.1 相似材料的研制及其力學參數(shù)的測定

5.2.2 錨桿材料的選擇

5.2.3 模具及內(nèi)置裂隙的制作

5.3 表面裂隙不同錨固方式小試件單軸壓縮試驗研究

5.3.1 預制裂隙形態(tài)及加錨方式

5.3.2 應力-應變曲線及試件力學特性分析

5.3.3 破壞模式及斷裂機理分析

5.3.4 小結(jié)

5.4 表面裂隙不同錨固方式小試件單軸拉伸試驗研究

5.4.1 錨固角度對錨固效果影響規(guī)律研究

5.4.2 錨固位置對錨固效果影響規(guī)律研究

5.5 節(jié)理巖體錨固效應大試塊試驗研究

5.5.1 試驗總體設(shè)計

5.5.2 試驗結(jié)果及分析

參考文獻

第6章 復雜應力狀態(tài)下斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷機理研究及其應用

6.1 引言

6.2 裂紋起裂判據(jù)及擴展方向

6.2.1 起裂準則

6.2.2 裂紋擴展方向

6.3 復雜應力狀態(tài)下加錨節(jié)理裂紋擴展長度的確定

6.3.1 壓剪情況下分支裂紋擴展長度

6.3.2 拉剪應力狀態(tài)下分支裂紋擴展長度

6.4 巖體加錨增韌模型試驗研究

6.5 裂隙巖體大型洞室群施工順序優(yōu)化研究

6.5.1 洞室群所在圍巖地質(zhì)構(gòu)造概況及有關(guān)參數(shù)

6.5.2 計算有關(guān)參數(shù)

6.5.3 開挖假定及有限元計算有關(guān)問題

6.5.4 洞室群施工順序優(yōu)化分析

6.5.5 小結(jié)

參考文獻

第7章 加錨斷續(xù)節(jié)理巖體復雜應力狀態(tài)下本構(gòu)關(guān)系、損傷演化方程及工程應用

7.1 引言

7.2 加錨節(jié)理面抗剪強度與變形特點

7.3 節(jié)理面附近錨桿形變能及節(jié)理面形變能

7.3.1 錨桿在節(jié)理裂隙面附近的形變能

7.3.2 節(jié)理裂隙形變能

7.4 加錨節(jié)理裂隙巖體的本構(gòu)關(guān)系

7.4.1 加錨節(jié)理巖體等效模型

7.4.2 分析構(gòu)元等效模型中無錨節(jié)理裂紋體的等效勁度

7.4.3 分析構(gòu)元等效模型中錨桿軸向力產(chǎn)生的等效勁度

7.4.4 分析構(gòu)元等效模型中錨桿的“銷釘”作用及裂紋體殘余能量產(chǎn)生的等效勁度

7.5 加錨斷續(xù)節(jié)理巖體拉剪應力狀態(tài)下本構(gòu)關(guān)系的研究

7.5.1 加錨節(jié)理巖體節(jié)理面及錨桿變形分析

7.5.2 錨桿在節(jié)理面附近聚積的形變能

7.5.3 加錨節(jié)理巖體構(gòu)元等效模型

7.6 斷續(xù)節(jié)理巖體拉壓剪受力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系

7.7 加錨損傷巖體本構(gòu)方程不同表現(xiàn)形式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

7.8 損傷演化方程

7.8.1 壓剪應力場下?lián)p傷演化方程

7.8.2 拉剪應力場下?lián)p傷演化方程

7.9 三峽右岸地下電站廠房節(jié)理圍巖穩(wěn)定性斷裂損傷分析

7.9.1 巖體力學參數(shù)和初始地應力

7.9.2 計算范圍及工況

7.9.3 計算結(jié)果

7.9.4 小結(jié)

參考文獻

第8章 裂紋擴展穩(wěn)定性及遇到分界面時穿越條件研究

8.1 裂紋擴展失穩(wěn)的突變模型

8.1.1 概述

8.1.2 裂紋擴展的突變模型

8.1.3 小結(jié)

8.2 裂紋擴展遇到分界面時穿越條件分析

參考文獻

第9章 工程應用

9.1 瑯砑山抽水蓄能電站地下廠房洞室群穩(wěn)定性分析

9.1.1 工程概況和工程地質(zhì)條件

9.1.2 數(shù)值計算分析相關(guān)條件

9.1.3 施工開挖方案

9.1.4 地下廠房支護設(shè)計方案

9.1.5 斷裂損傷有限元分析法的計算結(jié)果

9.1.6 小結(jié)

9.2 青島膠州灣隧道最小巖石覆蓋厚度的斷裂損傷分析

9.2.1 引言

9.2.2 計算模型

9.2.3 計算參數(shù)

9.2.4 計算結(jié)果

9.2.5 小結(jié)

9.3 象山港海底隧道最小頂板厚度的三維斷裂損傷分析

9.3.1 引言

9.3.2 計算目的和任務(wù)

9.3.3 計算模型

9.3.4 計算參數(shù)

9.3.5 計算結(jié)果

9.3.6 小結(jié)2100433B

節(jié)理巖體的力學響應特性成為影響巖石地下工程安全穩(wěn)定性的至關(guān)重要問題。巖體中節(jié)理裂隙分布的隨機性、巖體力學強度參數(shù)及所遭受的外界荷載的不確定性等使得地下工程不可避免地存在風險，對不確定性因素造成的風險越加受到人們的重視。本課題運用隨機力學理論，考慮節(jié)理巖體節(jié)理裂隙分布、巖體力學參數(shù)及外來荷載的隨機性，研究節(jié)理巖體的隨機力學響應問題，并用地質(zhì)代表單元體的力學特性以隨機分析法研究典型的大型地下洞室工程的安全穩(wěn)定性，揭示典型地下洞室工程在隨機因素作用下的失效破壞模式，并對洞室風險的時空響應問題進行探索，進行相應的洞室工程風險分級機制的研究，提出應對風險的措施。并擬開展一定的節(jié)理巖體單元體的塊體模型試驗，并與數(shù)值分析做對比。通過以上關(guān)鍵科學問題的研究，為節(jié)理巖體地下洞室工程的設(shè)計施工方案和參數(shù)的選取、支護加固措施的選擇以及風險應對措施的制定提供科學有效的依據(jù)，推動巖石力學隨機分析領(lǐng)域的研究和發(fā)展。