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1、高等岩石力学读书报告 题目：岩石力学理论及其发展分析课程名称： 高等岩石力学 专业班级：土木工程研XX班 指导老师： XXX 学生姓名： XXX XXXX大学土木工程学院二0一四年目 录1岩石强度、变形及时间效应11.1 岩石强度和强度准则11.2 岩石的变形与流变特性11.2.1岩石的变形11.2.2岩石流(蠕)变模型21.2.3岩石的流(蠕)变试验32岩石断裂与损伤力学32.1 断裂与损伤机制32.2 裂纹扩展机制43岩石多场耦合与应用43.1 多场耦合关系类型53.2 多场耦合研究内容与方法53.3 多场耦合应用54岩石动力学与岩爆64.1 岩石动力特性64.2 岩石动力本构关系64.3
2、 岩石声、电磁传播特性64.4 岩爆分析75岩体非线性理论与加固稳定分析85.1 岩体非线性理论85.2 软岩的力学特性与加固理论85.3 岩质边坡稳定分析96岩石力学试验技术106.1 岩石力学基本试验方法106.2 试验仪器设备106.3 岩体结构模型试验技术107岩石力学数值分析方法117.1 有限元法117.2 离散元法117.3 三维快速拉格朗日分析127.4 数字图像分析方法138展望岩石力学发展与挑战13参考文献15 I1岩石强度、变形及时间效应岩石作为自然界的一种天然材料，对其变形和破坏特性的研究是沿着材料力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学和损伤力学等逐步发展的。由于水库大坝、
3、山岭隧道、跨江(海)桥隧等重大工程项目的兴建，以及地下采矿工程、人防工程及地下空间利用的快速发展，促进科技工作者对岩石力学性质与时间效应的持续研究，天然岩石材料的复杂性也越来越为人们所认识。1.1 岩石强度和强度准则岩石强度理论或强度准则是岩体工程设计、结构安全性分析的基础知识，一直是工程力学界的一个热门课题。1900年莫尔(O. Mohr)教授建立了著名的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)强度理论。从那以后，岩石强度理论广泛吸引了工程师和物理学家(包括工程地质专家、力学家、地球物理学家、材料科学家和土木、机械工程师等)的注意。以最大剪应力为基础的Mohr强度理论没有考虑中间主应力对材料强
4、度的影响，俞茂宏在1961年提出了双剪概念，并在1991年发表统一强度理论公式，后又提出非线性统一强度理论，可以将经典理论作为该理论的特例或线性逼近。经过53a来的持续研究，该理论已经形成众多系列，融入塑性力学、断裂力学、损伤力学等学科，并广泛应用于机械零件、混凝土构件以及岩土工程的强度分析。统一强度理论扩展到三向拉伸区，更适用于岩土材料和岩土工程，也使统一强度理论在理论上更趋完善。郑颖人等发展了岩土塑性力学及其本构模型，并在应变空间塑性理论、多重屈服面理论及建立广义塑性力学理论方面取得了较大进展，特别是郑颖人与高红等以考虑岩石内摩擦特性的剪切应变能达到某个极限屈服值为假设前提，从理论上建立了
5、岩土材料的抗剪能量屈服准则，它是考虑中间主应力的摩擦材料屈服准则，当内摩擦角为0时立即退化为米赛斯准则；当罗德角为30时，或不考虑中间主应力时，退化为Mohr-Coulomb准则。殷有泉对岩土在三维应变空间屈服面问题进行研究，提出用应变空间表达岩土的本构关系，使岩土的应变软化硬化问题、弹塑性耦合问题得到较好的解决。哈秋舲提出卸载条件下的岩体本构模型。李建林进一步研究了节理岩体卸载非线性力学特性，并应用于实际工程。许东俊和耿乃光以软弱砂岩和致密坚硬的花岗岩以及中硬大理岩为研究对象，通过把中间主应力2从2=3的下限值增加到2=1的上限值，进一步研究了强度随中间主应2的增加而变化的规律。曹文贵等引进
6、基于Mohr-Coulomb以及Drucker-Prager岩石强度判据的岩石微元强度表示方法，从岩石微元强度服从Weibull随机分布的角度出发，基于岩石三轴应力-应变试验曲线建立了特定围压下反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型；并对Mohr-Coulomb和Drucker-Prager 岩石强度判据进行了修正。周辉等通过试验研究了硬岩强度的演化规律，提出了高应力条件下硬脆性岩石的弹塑性耦合力学模型。白冰等新近提出无需先验假设硬化模式、直接通过拟合强度准则参数来实现塑性硬化的方法。1.2 岩石的变形与流变特性1.2.1岩石的变形岩石试件在外荷载作用下由变形发展到破坏全过程，是一个渐进性逐
7、步发展的过程，具有明显的阶段性，总体可分为峰值前和峰值后两个阶段。米勒(Miller，1965)对28种岩石试验，并根据其试验成果将峰值前应力-轴向应变曲线划分为6类，分别为：弹性型、弹塑性型、塑弹性型、塑-弹-塑-型、塑-弹-塑-型及弹性-蠕变型。法默(Farmer，1968)根据岩块峰值前应力-应变曲线，把岩石划分为准弹性、半弹性、非弹性三类。Wawerisk和Fairhust(1970)根据峰值后阶段曲线特征将岩块全过程曲线特征分为稳定破裂传播型()和非稳定破裂传播型()，葛修润等人(1994)根据自己研制的电液伺服自适应控制式岩石试验机上进行的试验资料认为型曲线是人为造成的，实际上并不
8、存在。变形特征一般用杨氏模量和泊松比2个指标来表示，尤明庆和苏承东基于试样压缩过程中应力、应变数据的计算机连续采样，提出以应力差为强度50%的两点的最大割线模量作为岩石的杨氏模量，多个试样的试验值采用调和平均而不是算术平均；提出利用固定轴向变形时围压与轴向应力的变化关系确定泊松比，以体现该参数在应力平衡方程中的作用。岩石在应力-应变全过程曲线中，不同应力状态对应的弹性模量和泊松比是不同的，卢应发等对任意地质材料进行围压加卸载确定弹性模量和泊松比，讨论不同应力状态下的损伤模量，指出岩石的流变与黏性变形时效与其力学状态相关，并论证圆柱形试样较适宜于各向同性材料试验。对于软岩和节理裂隙发育或高地应力
9、条件下的岩体，黏性变形时间效应更为明显，是工程设计与计算中必须考虑的主要因素。何满潮等根据理论分析和工程实践，初步将深部软岩的变形力学机制归纳为物化膨胀型(I)、应力扩容型(II)和结构变形型(III) 3大类和13种亚类。同时指出，软岩工程大变形难以控制的根本原因是其具有复合型变形力学机制；软岩大变形控制的三大关键因素为：正确地确定软岩的复合型变形机制、有效地转化复合型为单一型以及合理地应用转化技术。不同地区的岩石其基本力学特性差异巨大。1.2.2岩石流(蠕)变模型20世纪2030年代，流变力学形成了独立的学科。流变是岩石材料的重要力学特征，许多工程问题(采矿、大坝、桥墩、石油开采、能源和放
10、射性核废料储存、边坡及地下构筑物的稳定性等)都与岩石的流变特性密切相关。1939年Griggs发表了他的研究成果，提出在砂岩、泥板岩和粉砂岩等类岩石中，当荷载达破坏荷载的12.5%80% 时，就发生流(蠕)变的观点。在此以后的几十年里，很多研究者相继从各个不同方面进行了岩石蠕变研究。随着岩石力学理论与实践的不断发展，岩石蠕变研究越来越引起广泛重视。岩石流变模型的研究是岩石流变力学理论研究热点和核心之一。随着一些新的理论和方法逐渐被采用，岩石流变模型理论也得到了一定程度的发展，包括用流变经验模型、元件模型、损伤断裂模型来研究并发展岩石流变模型。我国岩石流(蠕)变的研究始于1958年。当时陈宗基指
11、导了长江三峡平硐围岩的蠕变试验研究，提出了岩石蠕变的特性，他认为人们普遍采用的普氏理论存在不合理性。后来根据对长江葛州坝工程地基泥化夹层的研究，又提出了确定岩体长期稳定强度的本构方程。20世纪6070年代，陈宗基率先对宜昌砂岩进行了扭转蠕变试验，研究了岩石的封闭应力和蠕变扩容现象，并指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的2 个基本因素。陈宗基从宏观和微观2个方面先后提出黏土的流变本构方程、二次时间效应及片架结构理论。目前，岩石流变损伤断裂的研究主要集中在探讨岩石蠕变损伤、蠕变断裂及其耦合机制。如孙钧等对软岩的非线性流变力学特性进行了理论预测和试验研究，提出了统一的三维大变形非线性黏弹塑性流变本构模型
12、及其算法，并将其应用于地下工程中。同时，还分析了含I 型裂纹岩石的流变断裂特性，提出I 型裂纹流变断裂韧度的3个阈值，然后应用断裂力学和黏弹塑性理论，在考虑屈服、蠕变和II 型裂纹扩展等物理力学特性的基础上，得到了岩体隧洞衬砌与围岩应力解析式。之后采用直接拉伸试验，对红砂岩进行了拉伸断裂和拉伸流变断裂试验，得到了该类岩石流变断裂准则。河海大学徐卫亚教授(2006)提出了“岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)”，该模型被运用锦屏一级水电站，但是模型参数的选取过程存在瑕疵。武汉岩土所杨春和等在盐岩工程力学试验及理论研究方面，建立了能有效反映深层盐岩流变特性的数学力学模型和计算分析方法，主要研究成
13、果已应用于我国盐岩能源地下储库的选址、设计和运营参数评估中。1.2.3岩石的流(蠕)变试验岩石流变试验主要分为室内岩石流变试验和现场岩体流变试验。室内试验具有能够长期观测、较严格控制试验条件、重复次数多等优点。现场试验耗资费时、难度较大，因而对现场岩体流变力学特性的试验研究成果相对较少。因此，岩石流变力学特性的试验研究成果也主要集中在室内试验方面。孙钧等对三峡花岗岩进行了劈裂拉伸蠕变试验，指出岩石的蠕变拉伸强度与加载速率有关，并研究了水对岩石拉伸蠕变特性的影响；同时，利用三点弯曲试验方法对层状岩石进行了试验研究与理论分析，利用重正化群变换理论对岩石的流变断裂机制进行了定量分析，建立了岩石流变断
14、裂准则，同时验证了直接拉伸试验所得到的试验结果。夏才初等开展了深部节理岩体在高应力下的卸载流变力学特性的研究。袁龙蔚等求出了3 种煤系岩石的蠕变参数值，并初步证明了这3种岩石的蠕变过程服从线性变形定律。雷承弟对二滩正长岩蚀变玄武岩进行了现场承压板压缩蠕变试验，拟合得到了蠕变经验公式。周火明在三峡工程坝址试验洞内开展了岩体单轴、三轴压缩蠕变试验和岩体剪切蠕变试验，研究表明岩体应变与时间曲线与室内试验具有相同特征，而且在低应力水平下的蠕变特性仍可用广义Kelvin 模型来描述；同时，对岩体结构面进行了现场剪切蠕变试验，给出了岩体结构面的蠕变模型及相应的蠕变参数。2岩石断裂与损伤力学由于岩石中存在节
15、理、裂隙等缺陷，极大地影响岩石的力学特性，因此断裂力学的概念被引入到岩石强度理论研究中，围绕岩石中岩石断裂机理以及裂纹扩展规律，在理论及实验方面都进行了大量研究，取得了显著进展。2.1 断裂与损伤机制迄今为止,许多学者围绕岩石的损伤进行了大量研究,建立了各种能够适用于岩石的宏观损伤模型,例如Krajcinovic连续损伤模型，Marigo脆性和疲劳损伤模型，Bui和Ehrlacher的损伤模型，Supartono和Sidoroff的理想损伤模型，Frantziskonis和Desai的损伤模型，Kawamoto、Ichikawa和Kyoya的节理岩体损伤模型Cheng和Dusseault的损伤-空隙压力耦合连续统模型，Aubertin等的SUVIC-D模型Chen和Bodner等的MDCF模型，朱维申的裂隙岩体弹塑性损伤断裂模型，周维垣的节理岩体弹脆性损伤模型，谢和平的岩石损伤模型等等。这些连续损伤模型的共同特点是：根据热力学理论和弹塑性理论对其损伤过程进行唯象分析，通过定义特定的损伤变量，建立损伤演化方
