岩石力学研究新进展-课件.ppt

1、-1 1、引言 2、数值分析在岩石力学中的应用 3、岩石细观力学研究 4、岩石断裂力学与损伤力学概论 5、岩石力学中的耦合分析 6、深部岩体力学问题 7、新的数学方法和软科学在岩石力学中的应 用 8、其他第十章第十章 岩石力学研究新进展岩石力学研究新进展-2 第一节 引 言 岩石力学是一门既具有理论内涵，工程实践性又很强的发展中的科学。自然界中的岩体被各种构造形迹（如：断层、节理、层理、破碎带等）切割成既连续又不连续的地质体。许多岩石力学过程的数学描述要么是不存在的，要么是不完全的，可以广泛接受的概化模型并不多。-3第二节第二节 数值分析在岩体力学中的应数值分析在岩体力学中的应用用 和发展和发

2、展（一）数值分析方法的分类在岩石力学有关领域的数值分析方法应用中，主要使用的方法为有限元法，边界单元，离散单元法，拉格朗日单元法及块体理论等（二）有限元法原理及其应用要点原理：通过变分原理（或加权余量法）和分区插值的离散化处理把基本支配方程转化为线性代数方程，把待解域内的连续函数转化为求解有限个离散点（节点）处的场函数值。-4 应用要点：.正确划分计算范围与边界条件 2.正确输入岩体参数及初始地应力场 3.采用特殊单元来考虑岩体的非连续性和边界效应（三）岩石力学问题的其他数值分析方法1.边界单元法边界单元法 有限元法是对问题的微分近似表达式给出了精确解，它实质上属于微分法。-5 与微分法相对应

3、的是积分法，积分法所涉及的边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化仅在边界上近似。下图表示了在外部问题模拟时微分法与积分法之间的区别。-62.离散单元法离散单元法 离散单元法完全强调岩体的非连续性。它认为，岩体中的各离散单元，在初始应力作用下各块体保持平衡。岩体被表面或内部开挖以后，一部分岩体就存在不平衡力，离散单元法对计算域内的每个块体所受的四周作用力及自重进行不平衡计算，并采用牛顿运动定律确定该岩块内不平衡力引起的速度和位移。反复逐个岩块进行类似计算，最终确定岩体在已知荷载作用下是否将破坏或计算出最终稳定体系的累计位移。-7 离散单元法算例：研究地下煤层开挖引起冒落和岩层移动，研究冒落带深

4、度与节理间距的关系。-8 3.块体理论块体理论 块体理论就是针对个性各异的岩体中具有结构面这一共性，根据集合论柘朴学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开挖面的关系分成可移动块体和不可移动块体，对几何可移动块体在按力学条件分为稳定块体、潜在关键块体、关键块体。此外，在计算方法上，还有半解析法、加权残余法以及松弛法中的经松弛法以及上述方法的耦合应用。-9 例子-10第三节 岩石细观力学研究 1 尺寸划分 1）自然界普遍发育、直接影响岩体力学特性、大于毫米级的裂隙、节理、断层等为宏观尺寸。2）发育在岩石结构中，直接影响岩石力学性质、毫米微米级的裂

5、纹为细观尺寸。3、发育在岩石矿物晶体内部，一般对岩石的宏观力学性质没有直接影响的微裂纹、位错等为微观尺寸。岩石细观力学是研究细观尺寸上岩石破裂演化过程及破坏规律的科学。-11 2 岩石力学细观力学研究方法 1）理论上：统计细观损伤力学方法。包括细观描述、统计描述和宏观描述。2）实验上：光学显微镜观测方法；电子显微镜观测方法；声发射方法；计算机断层成像，即CT技术。-12一、岩体力学的发展与工程地质学等地质学科发一、岩体力学的发展与工程地质学等地质学科发展紧密相关展紧密相关 今天随着科学技术的迅速发展，世界上在矿产资源勘探，能源开发，工程建设的环境与安全等方面的需要，对岩体力学提出了更多更高的要

6、求。大型，特大型的岩体工程修建，都使岩体力学面临着前所谓遇的难题。这些问题的解决，一方面要依靠岩体力学的理论与方法的进一步完善，另一方面，也要求地质学科，尤第四节 岩石断裂力学与损伤力学概论-13 其是工程地质方面的学科的理论与方法进一步完善。特别是勘探手段与技术方法的发展紧密相关。因此要发展岩体力学着门学科，应密切注视工程地质学科方面的发展，它们是相辅相成密不可分的。二、固体力学成就在岩体力学中的应用二、固体力学成就在岩体力学中的应用（一）断裂力学在岩体力学中的应用 目前，岩石断裂力学的应用前景主要如下：1.岩石的断裂预测与控制断裂;2.岩石裂纹的形成与扩展.-14 岩石断裂力学：运用断裂力

7、学方法研究岩石中宏观裂纹尖端的应力、位移，提出裂纹起裂的判据几裂纹开裂方向。包括线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。岩石损伤力学：在环境或外载作用下，由于细观结构的缺陷（微裂纹、微空洞等）引起材料或结构的劣化过程称为损伤。岩石损伤力学是研究含损伤岩石的变形过程、损伤演化及破坏力学过程的科学。-15（二）损伤力学在岩体力学中的应用 将损伤力学的基本方法和过程应用于岩石力学即岩石损伤力学。岩石损伤力学认为：岩体内存在有连续分布性的初始缺陷和密集的微观裂纹，但在宏观上仍可视为连续介质看待。对于遍布节理，裂隙岩体或呈多组节理分布的裂隙岩体更切合实际。三、岩石力学试验与测试方法的进展三、岩石力学试验与测试方

8、法的进展（一）在室内模拟试验方面，离心模拟试验由于具有其他模拟试验方法所不具备的优点而受到注视。（二）声波层析技术在岩体力学方面的应用受到注视。-16声波层析技术在岩体测试中的应用-17五、位移反分析法在岩体力学中的应用五、位移反分析法在岩体力学中的应用1.位移反分析法：在岩体工程施工开挖过程中，通过测量位移、应变或应力，来确定岩体的初始地应力或岩体力学参数。2.应用 反问题法不仅是参数估计，它的进一步推广应用是工程预测和险情预报、反馈动态设计、调整施工方案以及可靠度评价等-18第五节 岩石力学中的耦合分析 是研究系统中多场相互制约、相互影响的规律的科学。包括两场耦合和三场耦合，如应力场与渗流

9、场耦合，应力场、温度场和渗流场耦合。-19第六节 深部岩体力学问题 地下空间不断走向深部:矿山、水电工程的引水隧道、核废料的深埋处、深层地下防护工程等。与浅部岩体工程相比具有较大的差异，而用传统的连续介质力学理论无法圆满解决，成为当前研究的热点。-20 一、深部岩体的特点 1、具有非均匀、非连续特点；2、深部岩体变形具有非协调、非连续特点；3、深部岩体具有非常高的应力状态；4、深部岩体具有储能特点；5、深部岩体具有块系结构特点。-21 二、深部岩体工程力学特性 1、分区破裂化现象；2、岩爆与冲击动力现象；三、深部岩体工程施工设计特点 深部岩石力学关于岩爆、大变形以及分区破裂化的机理和发生发展规

10、律尚是一个正在研究的课题，因此，此设计计算理论尚未形成。-221.分形几何及其在岩石力学中的应用分形几何及其在岩石力学中的应用 分形几何是近十年来发展起来的研究非线性现象和图形不规律性的理论和方法，它在处理岩石断裂形貌、岩石破碎、岩体结构、岩石颗粒特征等过去认为难以解决的复杂问题，得到了一系列准确的解释和定量结果。下面图表是分形几何在岩体结构的分维中的应用。第七节第七节 新的数学计算方法和软科学在岩石力学中的应用新的数学计算方法和软科学在岩石力学中的应用-23 -24 建立在分形度量空间上的岩石力学理论，具体而言，就是研究考虑自然分形效应的岩石介质变形破坏规律。上世纪七、八十年代，分形岩石力学

11、研究的第一个层次：对现象的描述，如地形地貌、裂纹扩展路径、裂隙网络的分形计算等。目前，分形岩石力学研究的第二个层次：对岩石分形的物理机制和演化规律的研究。将分形理论与岩石损伤和断裂力学有机地结合，应用分数维数反映岩石的损伤演化程度，建立岩石分形效应与动态态破坏之间的联系；通过实测分数预测冲击地压、岩爆等灾害。-252.统计岩石力学3.系统分析、控制论等软科学在岩石力学与工程中的应用4.人工智能与专家系统在岩石力学中的应用-26 第八节 其 他 环境对岩石的破裂性能的影响逐渐受到人们的重视。环境中腐蚀物质的化学反应、应力腐蚀，加快了岩石的破裂，导致最终的失稳。对双抗扭试验测得的大岛花岗岩在蠕变、应力增加和松弛过程的声发射随应力演化的行为分别进行了时间分形分析。