加錨斷續(xù)節(jié)理巖體破壞機(jī)理及工程應(yīng)用

巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》序

《巖石力學(xué)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(kuò)展研究現(xiàn)狀

1.2.3 CT技術(shù)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1.2.4 聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)中的應(yīng)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?jī)?nèi)容

參考文獻(xiàn)

第2章 節(jié)理巖體裂隙擴(kuò)展的CT試驗(yàn)

2.1 引言

2.2 CT技術(shù)原理

2.2.1 CT技術(shù)檢測(cè)原理

2.2.2 CT試驗(yàn)可以解決的巖石力學(xué)問題

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

2.3.1 本試驗(yàn)的CT機(jī)配套設(shè)備簡(jiǎn)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(cè)量

2.4.4 試驗(yàn)方法

2.5 單裂隙試件單軸壓縮的裂紋擴(kuò)展CT試驗(yàn)研究

2.5.1 單裂隙試件單軸壓縮的CT試驗(yàn)

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(yīng)力分析

2.5.7 損傷變量分析

2.5.8 裂隙擴(kuò)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(kuò)展CT試驗(yàn)研究

2.6.1 含44°雙裂隙試件單軸壓縮的CT試驗(yàn)

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(kuò)展CT試驗(yàn)研究

2.7.1 含19°單裂隙試件三軸壓縮的CT試驗(yàn)

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(kuò)展CT試驗(yàn)研究

2.8.1 含36°雙裂隙試件三軸壓縮的CT試驗(yàn)

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(xiàn)

第3章 節(jié)理巖體裂隙斷裂聲發(fā)射試驗(yàn)研究

3.1 引言

3.2 測(cè)試系統(tǒng)

3.3 不同材料內(nèi)置裂隙擴(kuò)展及貫通規(guī)律

3.3.1 試驗(yàn)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(kuò)展與貫通

3.3.4 非均質(zhì)材料的擴(kuò)展特征

3.3.5 小結(jié)

3.4 表面裂隙擴(kuò)展模式及其斷裂機(jī)理

3.4.1 試驗(yàn)研究

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.4.3 表面裂隙附近應(yīng)變分析

3.4.4 表面裂隙擴(kuò)展的聲發(fā)射試驗(yàn)研究

3.4.5 裂隙深度比對(duì)斷裂模式及強(qiáng)度的影響

3.4.6 砂巖中表面裂隙擴(kuò)展破裂

3.4.7 反翼裂紋產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理

3.4.8 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章 拉伸狀態(tài)下節(jié)理巖體裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)研究

4.1 引言

4.2 改進(jìn)的直接拉伸試驗(yàn)技術(shù)

4.2.1 現(xiàn)有主要直接拉伸試驗(yàn)技術(shù)

4.2.2 改進(jìn)的直接拉伸試驗(yàn)技術(shù)

4.3 拉伸狀態(tài)下三維內(nèi)置裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)研究

4.3.1 試驗(yàn)材料和含裂隙試件的制備

4.3.2 拉伸試驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)

4.3.3 含裂隙試件拉伸力學(xué)和斷裂特征

4.3.4 裂隙傾角對(duì)試件力學(xué)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(kuò)展試驗(yàn)研究

4.4.1 試件制作

4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

參考文獻(xiàn)

第5章 節(jié)理巖體中錨桿加固止裂試驗(yàn)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(xué)參數(shù)的測(cè)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(yàn)研究

5.3.1 預(yù)制裂隙形態(tài)及加錨方式

5.3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及試件力學(xué)特性分析

5.3.3 破壞模式及斷裂機(jī)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(yàn)研究

5.4.1 錨固角度對(duì)錨固效果影響規(guī)律研究

5.4.2 錨固位置對(duì)錨固效果影響規(guī)律研究

5.5 節(jié)理巖體錨固效應(yīng)大試塊試驗(yàn)研究

5.5.1 試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

5.5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

參考文獻(xiàn)

第6章 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷機(jī)理研究及其應(yīng)用

6.1 引言

6.2 裂紋起裂判據(jù)及擴(kuò)展方向

6.2.1 起裂準(zhǔn)則

6.2.2 裂紋擴(kuò)展方向

6.3 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下加錨節(jié)理裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的確定

6.3.1 壓剪情況下分支裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度

6.3.2 拉剪應(yīng)力狀態(tài)下分支裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度

6.4 巖體加錨增韌模型試驗(yàn)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(jì)算有關(guān)參數(shù)

6.5.3 開挖假定及有限元計(jì)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(xiàn)

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

7.1 引言

7.2 加錨節(jié)理面抗剪強(qiáng)度與變形特點(diǎn)

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(yīng)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(yīng)力場(chǎng)下?lián)p傷演化方程

7.8.2 拉剪應(yīng)力場(chǎng)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(xué)參數(shù)和初始地應(yīng)力

7.9.2 計(jì)算范圍及工況

7.9.3 計(jì)算結(jié)果

7.9.4 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第8章 裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定性及遇到分界面時(shí)穿越條件研究

8.1 裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)的突變模型

8.1.1 概述

8.1.2 裂紋擴(kuò)展的突變模型

8.1.3 小結(jié)

8.2 裂紋擴(kuò)展遇到分界面時(shí)穿越條件分析

參考文獻(xiàn)

第9章 工程應(yīng)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(jì)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(hù)設(shè)計(jì)方案

9.1.5 斷裂損傷有限元分析法的計(jì)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(jì)算模型

9.2.3 計(jì)算參數(shù)

9.2.4 計(jì)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(jì)算目的和任務(wù)

9.3.3 計(jì)算模型

9.3.4 計(jì)算參數(shù)

9.3.5 計(jì)算結(jié)果

9.3.6 小結(jié)2100433B

《加錨斷續(xù)節(jié)理巖體破壞機(jī)理及工程應(yīng)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(duì)加錨斷續(xù)節(jié)理巖體破壞機(jī)理開展了大量的試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(kuò)展的力學(xué)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(yīng)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(diǎn)的三維大型有限元程序，為巖體工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和布錨參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。其成果成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)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(jī)理及工程應(yīng)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。

《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。

• 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)理巖體的力學(xué)響應(yīng)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(jī)性、巖體力學(xué)強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)，對(duì)不確定性因素造成的風(fēng)險(xiǎn)越加受到人們的重視。本課題運(yùn)用隨機(jī)力學(xué)理論，考慮節(jié)理巖體節(jié)理裂隙分布、巖體力學(xué)參數(shù)及外來荷載的隨機(jī)性，研究節(jié)理巖體的隨機(jī)力學(xué)響應(yīng)問題，并用地質(zhì)代表單元體的力學(xué)特性以隨機(jī)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(jī)因素作用下的失效破壞模式，并對(duì)洞室風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空響應(yīng)問題進(jìn)行探索，進(jìn)行相應(yīng)的洞室工程風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)機(jī)制的研究，提出應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)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(yàn)，并與數(shù)值分析做對(duì)比。通過以上關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，為節(jié)理巖體地下洞室工程的設(shè)計(jì)施工方案和參數(shù)的選取、支護(hù)加固措施的選擇以及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施的制定提供科學(xué)有效的依據(jù)，推動(dòng)巖石力學(xué)隨機(jī)分析領(lǐng)域的研究和發(fā)展。