岩石力学研究进展报告

岩石力学研究新进展报告姓名：XXX学号：XXXXXXXX专业：岩土工程

岩石力学研究新进展报告1引言时光如白驹过隙，一学期的《XXXXX》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习，使我在岩石力学方面有了很大的启发，特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。岩石力学可以作为固体力学的一个新分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展，在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用，随着科学技术的进步，岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门内涵深，工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题，输入给模型的基本参数很难确定，而且没有多少对过程（特别是非线性工程）的演化提供信息的测试手段。另一方面，对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场（应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相（固、液、气）影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明，工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的，其大多数是高度非线性的。目前，岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的，可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此，近年来，多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起，为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法，更能激发研究者的创新精神，这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础[1]。本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细观力学四部分的研究新进展做简要报告。由于时间和精力有限（最近导师安排的任务非常多，而且要准备英语和政治期末考试），每部分内容除第一大段的研究新进展综述外，只对近几年的三篇比较好的文献做分析说明，包括两篇中文学术论文和一篇外文学术论文，这12篇学术论文我都比较仔细的看了。以后若有机会和时间，我会在导师和各位老师同学的不吝赐教下，努力做岩石力学的创新性研究，届时会在文献综述部分查阅和介绍更多最新以及更优秀的文献。2分形岩石力学从古至今，岩石已成为人们熟知的工程材料，它是由矿物晶粒、胶结物质和大量各种不同阶次、不规则分布的裂隙、薄弱夹层等缺陷构成，是一种成分和结构高度复杂的孔隙体。岩石力学经过近50年的发展，人们尝试用各种数学力学方法研究和描述岩石复杂的自然结构性状和物理力学性质，提出了多种岩石力学分析和计算方法，为解决实际工程中的岩石力学问题创造了条件。19世纪70年代Mandelbrot创立分形几何学，提出了一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，从此分形几何学广泛地应用于自然科学研究的各个领域，并且在经济学等社会科学也有很巧妙的应用。19世纪80年代，分形几何学开始应用于岩石力学研究，开始形成分形岩石力学这一门新兴交叉学科。人们逐渐发现岩石力学领域中的分形现象相当普遍，不仅岩石的自然结构性状、缺陷几何形态、分布以及地质结构产状、断层几何形态、分布都观察到分形特征或分形结构，而且岩石体强度、变形、破断力学行为以及能量耗是断裂面处在压应力下的断裂力学问题，会具有自己的特点，这方面似需作许多进一步的工作。断裂力学还对改进重力坝剖面的设计和稳定分析方法极有前途。目前，岩石断裂力学的研究与应用存在问题不少，难度较大，尚待作出巨大的努力。岩石损伤力学研究的重点是建立损伤变量(张量)和损伤扩展本构关系。这就涉及岩石材料的损伤检测与识别问题。近年来，很多学者对岩石损伤的CT识别方面进行了偿试性的研究。CT识别岩石损伤不但可以无扰动岩样损伤检测，更重要的是通过CT图像、CT数大小和CT数定量地与岩石损伤变量和损伤扩展联系起来，为建立岩石损伤扩展本构关系奠定了基础。还将这一技术应用于三峡船闸高边坡闪云斜长花岗岩的损伤检测。在实际分析问题时，不应该强调断裂和损伤的具体分工，而应根据实际情况，更好地把两者结合起来可以相信，在不久的将来，将损伤理论与断裂理论结合起来的破坏理论一定会在工程实践和理论研究中得到更为广泛的应用和更大的发展。2014年，宫凤强、陆道辉、李夕兵等在《动力扰动下预静载硬岩断裂的增韧和减韧效应》[8]一文中，充分论证了断裂力学在岩石材料中的应用。他们为了研究预静载条件下硬岩受动力扰动的断裂特性变化规律，采用大理岩制作中心直裂纹半圆盘(semicircularbend，SCB)三点弯曲试样，在MTSLandmark电液伺服试验机上，进行预静载下的循环加卸载和不同扰动频率的岩石断裂韧度测试试验，发现硬岩断裂的增韧和减韧效应。在一系列科学的试验后，他们得出如下结论：(1)随着循环次数的增加，SCB试样断裂韧度显著增加(循环40次为最高点，增加幅度为常规断裂韧度的19%)，然后逐渐减小并收敛于定值(大约循环80次数后趋于收敛，最后的增加幅度为常规断裂韧度的11%)，整体趋势具有增韧效应；(2)动力扰动条件下，岩石断裂韧度值较常规条件下有较大幅度减小(1Hz频率下减小幅度为常规断裂韧度的9%)，并且随着扰动频率的增加，岩石断裂韧度呈线性减小的趋势，整体趋势具有减韧效应。因此，在预静载为常规静载断裂载荷值90%条件下，循环加卸载只会增加岩石的断裂难度，高频扰动却有利于岩石的断裂破坏。上述研究规律为深部硬岩非爆破连续开采提供了一定的理论启示。赵延林、彭青阳、万文等在2014年发表了《高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现》[9]。他们研究了岩石裂缝在渗流-断裂耦合作用下的扩展机制。作者采用渗流力学、断裂力学理论结合MonteCarlo方法描述岩体裂纹的随机分布，研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制，建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型，给出该数学模型的求解策略与方法，在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。他们的结果表明：高压注水条件下，岩体裂纹扩展存在起动水压力，当水压力大于起动水压力时，裂纹尖端开始萌生翼形裂纹，随着裂纹水压力的增加，翼形裂纹扩展，进而与其他裂纹搭接贯通，停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响，连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析，能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象，描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。2013年，ChloéArson，Jean-MichelPereira在《基于岩石孔径分布和渗透性的岩石损伤研究》[10]论文中描述了有关岩石孔径分布和渗透率的岩石损伤力学行为。本文提出的模型涉及孔隙率的测量，以及可以很容易地在实验室中进行的渗透性。孔隙大小分布（PSD）曲线随着应变和损伤而更新。对更新后的体积分数的天然孔隙和裂缝进行了渗透性的表达。相反地，基于PSD集成经典的渗透率模型，本文提出的模型在孔隙率方面可能发生的变化：无损样品和开裂试样两种模式。在这篇文章中提出的结论，可用于任何损伤本构模型以确定脆性多孔介质的渗透率。他们对三轴排水压缩试验进行了数值模拟。发现：在刚开裂时，渗透率减小。损伤发生后，由于裂缝密度的增加渗透率的增加。该模型能够很好的与围压影响的损伤演化和渗透性变化相吻合。5岩石细观力学细观力学是固体力学的分支，用连续介质力学方法分析具有细观结构（即在光学或常规电子显微镜下可见的材料细微结构）的材料的力学问题。其研究尺度可从10纳米到毫米量级，随研究对象不同而异。其发展对固体力学研究层次的深入以及对材料科学规律的定量化表达都有重要意义。细观力学的奠基，归功于G.I.泰勒等人于20世纪20、30年代在细观塑性理论方面的开创性工作。细观损伤力学在50年代初具雏形，70年代A.L.哥森提出第一个封闭的理论体系。细观力学的方法论则由J.D.艾舍比、R.希尔、T.穆拉等力学家开创。材料细观力学自70、80年代以来相继在金属、复合材料、陶瓷、混凝土、高分子和电子材料中取得重要应用，且其发展与细观计算力学的发展相辅相成。现在，岩石力学的研究与细观力学结合起来，形成了一门新的学科—岩石细观力学。岩石细观力学是研究细观尺度上岩石破裂演化过程及破坏规律的科学。目前研究是方法主要有：光学显微镜观测方法、电子显微镜观测方法、声发射方法、以及基于X射线的计算机断层成像（CT技术）。余华中、阮怀宁、褚卫江在2013年发表了《大理岩脆–延–塑转换特性的细观模拟研究》[11]，他们比较科学的用岩石细观力学方法研究了大理岩脆–延–塑转换特性。作者基于锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆–延–塑转换特性，采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过一系列的室内试验，并对结果的进行反复模拟校准，获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。他们模型试验的结果如下：试样的一系列宏观力学表现，以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明：不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆–延–塑转换特性的主要原因；张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式，而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延–塑性破坏模式转换。2013年，张志镇、高峰、崔洋等发表了《岩石能量特征与其细观结构的关联性》[12]。他们利用岩石细观力学观点和方法对细观结构与岩石能量特征的关联性进行了较为细致的研究。他们认为岩石的细观结构影响其受载过程中的能量行为。他们从岩石基元平均强度、均质度和细观特征尺度等三种细观特征入手，研究了其对特征能量参数和能量特征指数的影响规律。他们的试验结果如下：基元平均强度越大，相同应力比下的输入能量密度和积聚弹性能密度呈非线性增长；峰后所需耗散能密度变化不大，约为500~2000J/m3；弹性能转化率变小；岩样能量特征指数呈指数型增长。随着均质度的升高，峰前输入能量密度和积聚弹性能密度都呈线性增长；峰后破坏所需耗散能降低；越来越多的能量转化为弹性能积聚在岩石内；能量特征指数线性增大。细观特征尺度越大，外界输入能量和积聚弹性能都增大，但幅度不同；峰后破坏所需耗散能越大；弹性能转化比例越低；当细观特征尺度小于1mm时，能量特征指数大幅减小，而当其大于1mm时，变化不大。LinlinWang，MichelBornert，SergeChanchole在《水力和机械载荷作用下泥质岩变形和破坏的细观实验研究》[12]一文中，阐释了基于岩石细观力学观点和方法的，水力和机械载荷作用下的泥质岩变形和破坏机理。他们认为：泥质岩可能是地下核废物处置的围岩岩石。泥质岩实际上表现出多尺度的非均质性，其中复合材料的细观尺度（粘土基质以及矿物包裹体）特别有趣：复杂的基质包含一个水力和机械载荷作用下损伤的潜在来源。基于高分辨率成像技术，利用环境扫描电子显微镜和数字图像技术，这项工作的一个重要关注点是这样一个微观尺度的原位反应的研究。他们的试验结果表明：在纯水力和组合机械/水力载荷作用下，出现了复杂的变形定位模式，以及一些损伤现象。基于这些试验结果是观察，他们认为：变形机制可以被准确掌握。他们还讨论了描述这种岩石流体力学行为的标准渗流力学行为。

参考文献[1]张永兴主编.岩石力学（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.[2]黄达，谭清，黄润秋.高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(7)：1379-1389.[3]许金余，刘石.大理岩冲击加载试验碎块的分形特征分析[J].岩土力学，2012，33(11)：3225-3229.[4]AbhraGiri，SujataTarafdar，PhilippeGouze&TapatiDutta.Fractalgeometryofsedimentaryrocks:simulationin3-DusingaRelaxedBidisperseBallisticDepositionModel[J].GeophysicalJournalInternational，2013，192：1059-1069.[5]郝杰，侍克斌，陈功民，等.有限长迹线块体理论及其在围岩块体滑落概率分析中的应用[J].岩石力学与工程学报，2014，33(7)：1471-1478.[6]张瑞新，李泽荃，赵红泽，等.节理岩体关键块体稳定的概率分析[J].岩土力学，2014，35(5)：1399-1405.[7]V.V.R.Prasad，R.D.Dwivedi，AnilSwarup.Determinationofsupportpressurefortunnelsandcavernsusingblocktheory[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology，2013，37，55-61.[8]宫凤强，陆道辉，李夕兵，等.动力扰动下预静载硬岩断裂的增韧和减韧效应[J].岩石力学与工程学报，2014，33(9)：1905-1915.[9]赵延林，彭青阳，万文，等.高