加锚断续节理岩体破坏机理及工程应用

岩石力学与工程研究著作丛书》序

《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话

前言

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 概述

1.2.1 节理岩体与锚杆加固理论研究现状

1.2.2 节理岩体裂隙扩展研究现状

1.2.3 CT技术在岩石力学中的应用研究现状

1.2.4 声发射技术在岩石力学中的应用研究现状

1.3 本书研究方法和内容

1.3.1 本书的研究方法

1.3.2 本书研究内容

参考文献

第2章 节理岩体裂隙扩展的CT试验

2.1 引言

2.2 CT技术原理

2.2.1 CT技术检测原理

2.2.2 CT试验可以解决的岩石力学问题

2.3 试验设备

2.3.1 本试验的CT机配套设备简介

2.3.2 CT图像信息的提取

2.4 试件的加工制作

2.4.1 试件加工材料的选取

2.4.2 含裂隙试件加工示意图

2.4.3 试件的测量

2.4.4 试验方法

2.5 单裂隙试件单轴压缩的裂纹扩展CT试验研究

2.5.1 单裂隙试件单轴压缩的CT试验

2.5.2 方案一——同心圆区域CT分析

2.5.3 方案二——等圆区域CT分析

2.5.4 方案三——等椭圆区域CT分析

2.5.5 纵向CT扫描图像分析

2.5.6 密度应力分析

2.5.7 损伤变量分析

2.5.8 裂隙扩展宽度的估算方法

2.5.9 小结

2.6 双裂隙试件单轴压缩的裂纹扩展CT试验研究

2.6.1 含44°双裂隙试件单轴压缩的CT试验

2.6.2 方案一——同心圆区域CT分析

2.6.3 方案二——等圆区域CT分析

2.6.4 方案三——等椭圆区域CT分析

2.6.5 纵向CT扫描图像分析

2.6.6 小结

2.7 单裂隙试件三轴压缩的裂纹扩展CT试验研究

2.7.1 含19°单裂隙试件三轴压缩的CT试验

2.7.2 方案一——同心圆区域CT分析

2.7.3 方案二——等圆区域CT分析

2.7.4 方案三——等椭圆区域CT分析

2.7.5 纵向CT扫描图像分析

2.7.6 小结

2.8 双裂隙试件三轴压缩的裂纹扩展CT试验研究

2.8.1 含36°双裂隙试件三轴压缩的CT试验

2.8.2 方案一——同心圆区域CT分析

2.8.3 方案二——等圆区域CT分析

2.8.4 方案三——等椭圆区域CT分析

2.8.5 纵向CT扫描图像分析

2.8.6 小结

参考文献

第3章 节理岩体裂隙断裂声发射试验研究

3.1 引言

3.2 测试系统

3.3 不同材料内置裂隙扩展及贯通规律

3.3.1 试验材料及试样制备

3.3.2 三维裂隙的制作

3.3.3 均质材料中裂隙扩展与贯通

3.3.4 非均质材料的扩展特征

3.3.5 小结

3.4 表面裂隙扩展模式及其断裂机理

3.4.1 试验研究

3.4.2 试验结果及讨论

3.4.3 表面裂隙附近应变分析

3.4.4 表面裂隙扩展的声发射试验研究

3.4.5 裂隙深度比对断裂模式及强度的影响

3.4.6 砂岩中表面裂隙扩展破裂

3.4.7 反翼裂纹产生的力学机理

3.4.8 小结

参考文献

第4章 拉伸状态下节理岩体裂隙扩展试验研究

4.1 引言

4.2 改进的直接拉伸试验技术

4.2.1 现有主要直接拉伸试验技术

4.2.2 改进的直接拉伸试验技术

4.3 拉伸状态下三维内置裂隙扩展试验研究

4.3.1 试验材料和含裂隙试件的制备

4.3.2 拉伸试验装置和测试系统

4.3.3 含裂隙试件拉伸力学和断裂特征

4.3.4 裂隙倾角对试件力学性能和断裂特征的影响

4.3.5 小结

4.4 拉伸状态下三维表面裂隙扩展试验研究

4.4.1 试件制作

4.4.2 试验结果及分析

参考文献

第5章 节理岩体中锚杆加固止裂试验研究

5.1 引言

5.2 试件的加工制作

5.2.1 相似材料的研制及其力学参数的测定

5.2.2 锚杆材料的选择

5.2.3 模具及内置裂隙的制作

5.3 表面裂隙不同锚固方式小试件单轴压缩试验研究

5.3.1 预制裂隙形态及加锚方式

5.3.2 应力-应变曲线及试件力学特性分析

5.3.3 破坏模式及断裂机理分析

5.3.4 小结

5.4 表面裂隙不同锚固方式小试件单轴拉伸试验研究

5.4.1 锚固角度对锚固效果影响规律研究

5.4.2 锚固位置对锚固效果影响规律研究

5.5 节理岩体锚固效应大试块试验研究

5.5.1 试验总体设计

5.5.2 试验结果及分析

参考文献

第6章 复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究及其应用

6.1 引言

6.2 裂纹起裂判据及扩展方向

6.2.1 起裂准则

6.2.2 裂纹扩展方向

6.3 复杂应力状态下加锚节理裂纹扩展长度的确定

6.3.1 压剪情况下分支裂纹扩展长度

6.3.2 拉剪应力状态下分支裂纹扩展长度

6.4 岩体加锚增韧模型试验研究

6.5 裂隙岩体大型洞室群施工顺序优化研究

6.5.1 洞室群所在围岩地质构造概况及有关参数

6.5.2 计算有关参数

6.5.3 开挖假定及有限元计算有关问题

6.5.4 洞室群施工顺序优化分析

6.5.5 小结

参考文献

第7章 加锚断续节理岩体复杂应力状态下本构关系、损伤演化方程及工程应用

7.1 引言

7.2 加锚节理面抗剪强度与变形特点

7.3 节理面附近锚杆形变能及节理面形变能

7.3.1 锚杆在节理裂隙面附近的形变能

7.3.2 节理裂隙形变能

7.4 加锚节理裂隙岩体的本构关系

7.4.1 加锚节理岩体等效模型

7.4.2 分析构元等效模型中无锚节理裂纹体的等效劲度

7.4.3 分析构元等效模型中锚杆轴向力产生的等效劲度

7.4.4 分析构元等效模型中锚杆的“销钉”作用及裂纹体残余能量产生的等效劲度

7.5 加锚断续节理岩体拉剪应力状态下本构关系的研究

7.5.1 加锚节理岩体节理面及锚杆变形分析

7.5.2 锚杆在节理面附近聚积的形变能

7.5.3 加锚节理岩体构元等效模型

7.6 断续节理岩体拉压剪受力状态下的本构关系

7.7 加锚损伤岩体本构方程不同表现形式之间的转换关系

7.8 损伤演化方程

7.8.1 压剪应力场下损伤演化方程

7.8.2 拉剪应力场下损伤演化方程

7.9 三峡右岸地下电站厂房节理围岩稳定性断裂损伤分析

7.9.1 岩体力学参数和初始地应力

7.9.2 计算范围及工况

7.9.3 计算结果

7.9.4 小结

参考文献

第8章 裂纹扩展稳定性及遇到分界面时穿越条件研究

8.1 裂纹扩展失稳的突变模型

8.1.1 概述

8.1.2 裂纹扩展的突变模型

8.1.3 小结

8.2 裂纹扩展遇到分界面时穿越条件分析

参考文献

第9章 工程应用

9.1 琅砑山抽水蓄能电站地下厂房洞室群稳定性分析

9.1.1 工程概况和工程地质条件

9.1.2 数值计算分析相关条件

9.1.3 施工开挖方案

9.1.4 地下厂房支护设计方案

9.1.5 断裂损伤有限元分析法的计算结果

9.1.6 小结

9.2 青岛胶州湾隧道最小岩石覆盖厚度的断裂损伤分析

9.2.1 引言

9.2.2 计算模型

9.2.3 计算参数

9.2.4 计算结果

9.2.5 小结

9.3 象山港海底隧道最小顶板厚度的三维断裂损伤分析

9.3.1 引言

9.3.2 计算目的和任务

9.3.3 计算模型

9.3.4 计算参数

9.3.5 计算结果

9.3.6 小结2100433B

《加锚断续节理岩体破坏机理及工程应用》以水电和隧道工程中断续节理岩体为研究背景，利用CT扫描和声发射技术对加锚断续节理岩体破坏机理开展了大量的试验研究，在试验的基础上进行系统的理论分析和数值模拟研究。提出了断续节理岩体裂隙扩展的力学本构模型、损伤演化方程和锚固止裂模型；建立了加锚三维裂隙岩体失稳破坏的突变模型和可有效反映锚固效应的三维加锚断续节理岩体断裂损伤本构模型；开发出适合断续节理岩体特点的三维大型有限元程序，为岩体工程稳定性评价和布锚参数优化提供了理论依据。其成果成功应用于国内多个大型水电与隧道工程中，取得显著效果。

《加锚断续节理岩体破坏机理及工程应用》可供从事土木工程、水电工程、隧道工程、矿山工程等领域的科研人员、工程技术人员和大专院校师生参考使用。

《节理岩体损伤本构模型及工程应用》系统介绍了节理岩体损伤力学试验、理论模型及其初步工程应用。全书共8章。分别介绍节理岩体损伤力学的发展现状及存在问题；节理岩体的静态、动态试验研究，包括单轴压缩试验、SHPB试验及摆锤式冲击试验等；基于统计损伤模型的贯通节理岩体静态、动态损伤本构模型：基于元件模型的贯通节理岩体静态、动态损伤本构模型：基于TCK模型的贯通及非贯通节理岩体动态损伤本构模型；节理岩体静态损伤本构模型在边坡溃屈破坏分析及在岩体强度分析中的应用：非贯通节理岩体动态损伤本构模型在地下矿山矿柱尺寸设计中的应用等内容。

《节理岩体损伤本构模型及工程应用》可供具有一定力学基础且从事岩体力学研究工作的技术人员学习参考．也可供高等院校岩土工程相关专业的教师及研究生等参考阅读。

• 中文摘要

现代高精度制导钻地弹是目前地下工程所面临的最为常见威胁。在钻地弹侵入岩体爆炸过程中，爆炸应力波在岩体中传播，导致节理岩体地下洞室产生一系列动态响应，严重影响工程安全。本研究对爆炸应力波在节理岩体中的传播以及直墙拱顶节理岩体洞室锚固抗爆问题进行了分析。在理论研究中，分析了爆炸应力波在位移与应力连续条件下纵波与横波在节理处的传播特性，同时亦分析了爆炸应力波在位移与应力不连续条件下在具有理想光滑节理面和含摩擦节理面处的传播特性；运用损伤力学相关知识，建立了岩石中的微裂纹损伤与弹性模量的函数关系表达式。在数值模拟研究中，通过有限元软件计算了爆炸荷载并验证了其精确性，采用离散元软件研究了含节理岩体的爆炸应力波传播问题，最终通过建立无锚固和有锚固情况下的直墙拱顶节理岩体洞室，分析其抗爆效果，获得了锚固对抗爆效果的影响规律。主要结论包括：运用动力有限元软件 ANSYS AUTODYN 建立了岩体爆破模型，在模型炮孔周围设置监测点，结合理论解对比分析可知数值计算所得的爆炸荷载与理论计算值较接近，计算可靠；利用UDEC进行应力波透射率的数值计算结果与理论计算结果较为吻合，验证了UDEC进行应力波穿越节理透射率问题研究的可行性与有效性，其计算能够保证分析直墙拱顶节理岩体洞室锚固抗爆的计算精度；锚固对于直墙拱顶节理岩体洞室具有有效的抗爆能力提升作用。 2100433B

节理岩体的力学响应特性成为影响岩石地下工程安全稳定性的至关重要问题。岩体中节理裂隙分布的随机性、岩体力学强度参数及所遭受的外界荷载的不确定性等使得地下工程不可避免地存在风险，对不确定性因素造成的风险越加受到人们的重视。本课题运用随机力学理论，考虑节理岩体节理裂隙分布、岩体力学参数及外来荷载的随机性，研究节理岩体的随机力学响应问题，并用地质代表单元体的力学特性以随机分析法研究典型的大型地下洞室工程的安全稳定性，揭示典型地下洞室工程在随机因素作用下的失效破坏模式，并对洞室风险的时空响应问题进行探索，进行相应的洞室工程风险分级机制的研究，提出应对风险的措施。并拟开展一定的节理岩体单元体的块体模型试验，并与数值分析做对比。通过以上关键科学问题的研究，为节理岩体地下洞室工程的设计施工方案和参数的选取、支护加固措施的选择以及风险应对措施的制定提供科学有效的依据，推动岩石力学随机分析领域的研究和发展。