巖石力學(xué)研究進(jìn)展報(bào)告

巖石力學(xué)研究新進(jìn)展報(bào)告姓名：XXX學(xué)號：XXXXXXXX專業(yè)：巖土工程

巖石力學(xué)研究新進(jìn)展報(bào)告1引言時(shí)光如白駒過隙，一學(xué)期的《XXXXX》課程在不知不覺間結(jié)課了。這一學(xué)期的學(xué)習(xí)，使我在巖石力學(xué)方面有了很大的啟發(fā)，特別是分形理論在巖石力學(xué)中的應(yīng)用令我神往。下面我對巖石力學(xué)研究的新進(jìn)展做簡要報(bào)告。巖石力學(xué)可以作為固體力學(xué)的一個(gè)新分支，用以研究巖石材料的力學(xué)性能和巖石工程的特殊設(shè)計(jì)方法。巖石力學(xué)經(jīng)過近50年的發(fā)展，在土木工程、水利工程、采礦工程、石油工程、國防工程等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，巖石力學(xué)涉及的領(lǐng)域會進(jìn)一步擴(kuò)大。巖石力學(xué)是一門內(nèi)涵深，工程實(shí)踐性強(qiáng)的發(fā)展中學(xué)科。巖石力學(xué)面對的是“數(shù)據(jù)有限”的問題，輸入給模型的基本參數(shù)很難確定，而且沒有多少對過程（特別是非線性工程）的演化提供信息的測試手段。另一方面，對巖體的破壞機(jī)體還不能準(zhǔn)確的解釋。巖石力學(xué)所涉及的力學(xué)問題是多場（應(yīng)力場、溫度場、滲流場、甚至還存在電磁場等)、多相（固、液、氣）影響下的地質(zhì)構(gòu)造和工程構(gòu)造相互作用的耦合問題。這就表明，工程巖體的變形破壞特征是極為復(fù)雜的，其大多數(shù)是高度非線性的。目前，巖石力學(xué)的許多數(shù)學(xué)模型是不準(zhǔn)確和不完整的，可以廣泛接受和適用的概化模型并不多?；诖?，近年來，多種數(shù)值方法、細(xì)觀力學(xué)、斷裂與損傷力學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、分形理論、塊體理論等在巖石力學(xué)中的應(yīng)用以及各種人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化算法、非確定性數(shù)學(xué)等域巖石力學(xué)的交叉學(xué)科的興起，為我們提供了全新和有效的思維方式和研究方法，更能激發(fā)研究者的創(chuàng)新精神，這也為突破巖石力學(xué)的確定性研究方法提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)[1]。本報(bào)告主要對分形巖石力學(xué)、塊體巖石力學(xué)、斷裂與損傷巖石力學(xué)和巖石細(xì)觀力學(xué)四部分的研究新進(jìn)展做簡要報(bào)告。由于時(shí)間和精力有限（最近導(dǎo)師安排的任務(wù)非常多，而且要準(zhǔn)備英語和政治期末考試），每部分內(nèi)容除第一大段的研究新進(jìn)展綜述外，只對近幾年的三篇比較好的文獻(xiàn)做分析說明，包括兩篇中文學(xué)術(shù)論文和一篇外文學(xué)術(shù)論文，這12篇學(xué)術(shù)論文我都比較仔細(xì)的看了。以后若有機(jī)會和時(shí)間，我會在導(dǎo)師和各位老師同學(xué)的不吝賜教下，努力做巖石力學(xué)的創(chuàng)新性研究，屆時(shí)會在文獻(xiàn)綜述部分查閱和介紹更多最新以及更優(yōu)秀的文獻(xiàn)。2分形巖石力學(xué)從古至今，巖石已成為人們熟知的工程材料，它是由礦物晶粒、膠結(jié)物質(zhì)和大量各種不同階次、不規(guī)則分布的裂隙、薄弱夾層等缺陷構(gòu)成，是一種成分和結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜的孔隙體。巖石力學(xué)經(jīng)過近50年的發(fā)展，人們嘗試用各種數(shù)學(xué)力學(xué)方法研究和描述巖石復(fù)雜的自然結(jié)構(gòu)性狀和物理力學(xué)性質(zhì)，提出了多種巖石力學(xué)分析和計(jì)算方法，為解決實(shí)際工程中的巖石力學(xué)問題創(chuàng)造了條件。19世紀(jì)70年代Mandelbrot創(chuàng)立分形幾何學(xué)，提出了一種定量研究和描述自然界中極不規(guī)則且看似無序的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、現(xiàn)象或行為的新方法，從此分形幾何學(xué)廣泛地應(yīng)用于自然科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，并且在經(jīng)濟(jì)學(xué)等社會科學(xué)也有很巧妙的應(yīng)用。19世紀(jì)80年代，分形幾何學(xué)開始應(yīng)用于巖石力學(xué)研究，開始形成分形巖石力學(xué)這一門新興交叉學(xué)科。人們逐漸發(fā)現(xiàn)巖石力學(xué)領(lǐng)域中的分形現(xiàn)象相當(dāng)普遍，不僅巖石的自然結(jié)構(gòu)性狀、缺陷幾何形態(tài)、分布以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀、斷層幾何形態(tài)、分布都觀察到分形特征或分形結(jié)構(gòu)，而且?guī)r石體強(qiáng)度、變形、破斷力學(xué)行為以及能量耗是斷裂面處在壓應(yīng)力下的斷裂力學(xué)問題，會具有自己的特點(diǎn)，這方面似需作許多進(jìn)一步的工作。斷裂力學(xué)還對改進(jìn)重力壩剖面的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定分析方法極有前途。目前，巖石斷裂力學(xué)的研究與應(yīng)用存在問題不少，難度較大，尚待作出巨大的努力。巖石損傷力學(xué)研究的重點(diǎn)是建立損傷變量(張量)和損傷擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系。這就涉及巖石材料的損傷檢測與識別問題。近年來，很多學(xué)者對巖石損傷的CT識別方面進(jìn)行了償試性的研究。CT識別巖石損傷不但可以無擾動(dòng)巖樣損傷檢測，更重要的是通過CT圖像、CT數(shù)大小和CT數(shù)定量地與巖石損傷變量和損傷擴(kuò)展聯(lián)系起來，為建立巖石損傷擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。還將這一技術(shù)應(yīng)用于三峽船閘高邊坡閃云斜長花崗巖的損傷檢測。在實(shí)際分析問題時(shí)，不應(yīng)該強(qiáng)調(diào)斷裂和損傷的具體分工，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，更好地把兩者結(jié)合起來可以相信，在不久的將來，將損傷理論與斷裂理論結(jié)合起來的破壞理論一定會在工程實(shí)踐和理論研究中得到更為廣泛的應(yīng)用和更大的發(fā)展。2014年，宮鳳強(qiáng)、陸道輝、李夕兵等在《動(dòng)力擾動(dòng)下預(yù)靜載硬巖斷裂的增韌和減韌效應(yīng)》[8]一文中，充分論證了斷裂力學(xué)在巖石材料中的應(yīng)用。他們?yōu)榱搜芯款A(yù)靜載條件下硬巖受動(dòng)力擾動(dòng)的斷裂特性變化規(guī)律，采用大理巖制作中心直裂紋半圓盤(semicircularbend，SCB)三點(diǎn)彎曲試樣，在MTSLandmark電液伺服試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行預(yù)靜載下的循環(huán)加卸載和不同擾動(dòng)頻率的巖石斷裂韌度測試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硬巖斷裂的增韌和減韌效應(yīng)。在一系列科學(xué)的試驗(yàn)后，他們得出如下結(jié)論：(1)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，SCB試樣斷裂韌度顯著增加(循環(huán)40次為最高點(diǎn)，增加幅度為常規(guī)斷裂韌度的19%)，然后逐漸減小并收斂于定值(大約循環(huán)80次數(shù)后趨于收斂，最后的增加幅度為常規(guī)斷裂韌度的11%)，整體趨勢具有增韌效應(yīng)；(2)動(dòng)力擾動(dòng)條件下，巖石斷裂韌度值較常規(guī)條件下有較大幅度減小(1Hz頻率下減小幅度為常規(guī)斷裂韌度的9%)，并且隨著擾動(dòng)頻率的增加，巖石斷裂韌度呈線性減小的趨勢，整體趨勢具有減韌效應(yīng)。因此，在預(yù)靜載為常規(guī)靜載斷裂載荷值90%條件下，循環(huán)加卸載只會增加巖石的斷裂難度，高頻擾動(dòng)卻有利于巖石的斷裂破壞。上述研究規(guī)律為深部硬巖非爆破連續(xù)開采提供了一定的理論啟示。趙延林、彭青陽、萬文等在2014年發(fā)表了《高水壓下巖體裂紋擴(kuò)展的滲流-斷裂耦合機(jī)制與數(shù)值實(shí)現(xiàn)》[9]。他們研究了巖石裂縫在滲流-斷裂耦合作用下的擴(kuò)展機(jī)制。作者采用滲流力學(xué)、斷裂力學(xué)理論結(jié)合MonteCarlo方法描述巖體裂紋的隨機(jī)分布，研究高水壓作用下巖體原生裂紋的變形和翼形裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通的滲流-斷裂耦合作用機(jī)制，建立高水壓作用下巖體裂紋的滲流-斷裂耦合數(shù)學(xué)模型，給出該數(shù)學(xué)模型的求解策略與方法，在Fortran95平臺下開發(fā)高水壓下巖體裂紋擴(kuò)展的滲流-斷裂耦合分析程序HWFSC.for。他們的結(jié)果表明：高壓注水條件下，巖體裂紋擴(kuò)展存在起動(dòng)水壓力，當(dāng)水壓力大于起動(dòng)水壓力時(shí)，裂紋尖端開始萌生翼形裂紋，隨著裂紋水壓力的增加，翼形裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而與其他裂紋搭接貫通，停止擴(kuò)展。滲流-斷裂耦合分析考慮了裂紋動(dòng)、靜水壓力對裂紋產(chǎn)生的法向擴(kuò)張效應(yīng)及翼形裂紋的擴(kuò)展而形成新的滲流通道兩方面的影響，連通裂紋數(shù)隨滲流的發(fā)展而增加。巖體裂紋的滲流-斷裂耦合分析，能較真實(shí)地再現(xiàn)巖體裂紋的水力劈裂現(xiàn)象，描述巖體裂紋的擴(kuò)展、貫通過程及與之相耦合的滲流響應(yīng)。2013年，ChloéArson，Jean-MichelPereira在《基于巖石孔徑分布和滲透性的巖石損傷研究》[10]論文中描述了有關(guān)巖石孔徑分布和滲透率的巖石損傷力學(xué)行為。本文提出的模型涉及孔隙率的測量，以及可以很容易地在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的滲透性?？紫洞笮》植迹≒SD）曲線隨著應(yīng)變和損傷而更新。對更新后的體積分?jǐn)?shù)的天然孔隙和裂縫進(jìn)行了滲透性的表達(dá)。相反地，基于PSD集成經(jīng)典的滲透率模型，本文提出的模型在孔隙率方面可能發(fā)生的變化：無損樣品和開裂試樣兩種模式。在這篇文章中提出的結(jié)論，可用于任何損傷本構(gòu)模型以確定脆性多孔介質(zhì)的滲透率。他們對三軸排水壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)：在剛開裂時(shí)，滲透率減小。損傷發(fā)生后，由于裂縫密度的增加滲透率的增加。該模型能夠很好的與圍壓影響的損傷演化和滲透性變化相吻合。5巖石細(xì)觀力學(xué)細(xì)觀力學(xué)是固體力學(xué)的分支，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法分析具有細(xì)觀結(jié)構(gòu)（即在光學(xué)或常規(guī)電子顯微鏡下可見的材料細(xì)微結(jié)構(gòu)）的材料的力學(xué)問題。其研究尺度可從10納米到毫米量級，隨研究對象不同而異。其發(fā)展對固體力學(xué)研究層次的深入以及對材料科學(xué)規(guī)律的定量化表達(dá)都有重要意義。細(xì)觀力學(xué)的奠基，歸功于G.I.泰勒等人于20世紀(jì)20、30年代在細(xì)觀塑性理論方面的開創(chuàng)性工作。細(xì)觀損傷力學(xué)在50年代初具雛形，70年代A.L.哥森提出第一個(gè)封閉的理論體系。細(xì)觀力學(xué)的方法論則由J.D.艾舍比、R.希爾、T.穆拉等力學(xué)家開創(chuàng)。材料細(xì)觀力學(xué)自70、80年代以來相繼在金屬、復(fù)合材料、陶瓷、混凝土、高分子和電子材料中取得重要應(yīng)用，且其發(fā)展與細(xì)觀計(jì)算力學(xué)的發(fā)展相輔相成?，F(xiàn)在，巖石力學(xué)的研究與細(xì)觀力學(xué)結(jié)合起來，形成了一門新的學(xué)科—巖石細(xì)觀力學(xué)。巖石細(xì)觀力學(xué)是研究細(xì)觀尺度上巖石破裂演化過程及破壞規(guī)律的科學(xué)。目前研究是方法主要有：光學(xué)顯微鏡觀測方法、電子顯微鏡觀測方法、聲發(fā)射方法、以及基于X射線的計(jì)算機(jī)斷層成像（CT技術(shù)）。余華中、阮懷寧、褚衛(wèi)江在2013年發(fā)表了《大理巖脆–延–塑轉(zhuǎn)換特性的細(xì)觀模擬研究》[11]，他們比較科學(xué)的用巖石細(xì)觀力學(xué)方法研究了大理巖脆–延–塑轉(zhuǎn)換特性。作者基于錦屏深埋大理巖峰后變形破壞的脆–延–塑轉(zhuǎn)換特性，采用顆粒流程序(PFC)中的簇單元模型(CPM)對其進(jìn)行細(xì)觀模擬研究。經(jīng)過一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，并對結(jié)果的進(jìn)行反復(fù)模擬校準(zhǔn)，獲得描述錦屏深埋大理巖力學(xué)性質(zhì)的一組細(xì)觀物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。他們模型試驗(yàn)的結(jié)果如下：試樣的一系列宏觀力學(xué)表現(xiàn)，以及破壞形態(tài)等均與錦屏深埋大理巖的試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。對不同圍壓下裂紋發(fā)育規(guī)律的研究表明：不同應(yīng)力狀態(tài)下細(xì)觀裂紋發(fā)育特征的顯著差異是導(dǎo)致大理巖的變形破壞出現(xiàn)脆–延–塑轉(zhuǎn)換特性的主要原因；張性裂紋的大量發(fā)育決定介質(zhì)的脆性破壞模式，而剪切裂紋數(shù)目的快速增長則促使介質(zhì)由脆性破壞模式逐漸向延–塑性破壞模式轉(zhuǎn)換。2013年，張志鎮(zhèn)、高峰、崔洋等發(fā)表了《巖石能量特征與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性》[12]。他們利用巖石細(xì)觀力學(xué)觀點(diǎn)和方法對細(xì)觀結(jié)構(gòu)與巖石能量特征的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。他們認(rèn)為巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響其受載過程中的能量行為。他們從巖石基元平均強(qiáng)度、均質(zhì)度和細(xì)觀特征尺度等三種細(xì)觀特征入手，研究了其對特征能量參數(shù)和能量特征指數(shù)的影響規(guī)律。他們的試驗(yàn)結(jié)果如下：基元平均強(qiáng)度越大，相同應(yīng)力比下的輸入能量密度和積聚彈性能密度呈非線性增長；峰后所需耗散能密度變化不大，約為500~2000J/m3；彈性能轉(zhuǎn)化率變?。粠r樣能量特征指數(shù)呈指數(shù)型增長。隨著均質(zhì)度的升高，峰前輸入能量密度和積聚彈性能密度都呈線性增長；峰后破壞所需耗散能降低；越來越多的能量轉(zhuǎn)化為彈性能積聚在巖石內(nèi)；能量特征指數(shù)線性增大。細(xì)觀特征尺度越大，外界輸入能量和積聚彈性能都增大，但幅度不同；峰后破壞所需耗散能越大；彈性能轉(zhuǎn)化比例越低；當(dāng)細(xì)觀特征尺度小于1mm時(shí)，能量特征指數(shù)大幅減小，而當(dāng)其大于1mm時(shí)，變化不大。LinlinWang，MichelBornert，SergeChanchole在《水力和機(jī)械載荷作用下泥質(zhì)巖變形和破壞的細(xì)觀實(shí)驗(yàn)研究》[12]一文中，闡釋了基于巖石細(xì)觀力學(xué)觀點(diǎn)和方法的，水力和機(jī)械載荷作用下的泥質(zhì)巖變形和破壞機(jī)理。他們認(rèn)為：泥質(zhì)巖可能是地下核廢物處置的圍巖巖石。泥質(zhì)巖實(shí)際上表現(xiàn)出多尺度的非均質(zhì)性，其中復(fù)合材料的細(xì)觀尺度（粘土基質(zhì)以及礦物包裹體）特別有趣：復(fù)雜的基質(zhì)包含一個(gè)水力和機(jī)械載荷作用下?lián)p傷的潛在來源?；诟叻直媛食上窦夹g(shù)，利用環(huán)境掃描電子顯微鏡和數(shù)字圖像技術(shù)，這項(xiàng)工作的一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)是這樣一個(gè)微觀尺度的原位反應(yīng)的研究。他們的試驗(yàn)結(jié)果表明：在純水力和組合機(jī)械/水力載荷作用下，出現(xiàn)了復(fù)雜的變形定位模式，以及一些損傷現(xiàn)象?；谶@些試驗(yàn)結(jié)果是觀察，他們認(rèn)為：變形機(jī)制可以被準(zhǔn)確掌握。他們還討論了描述這種巖石流體力學(xué)行為的標(biāo)準(zhǔn)滲流力學(xué)行為。

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