巖石力學(xué)研究最新進(jìn)展報(bào)告

1、巖石力學(xué)研究新進(jìn)展報(bào)告 姓名： XXX學(xué)號(hào)：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(duì)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(huì)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)

2、面對(duì)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(duì)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(duì)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

3、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(duì)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(duì)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(huì)和時(shí)間，我會(huì)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

4、性研究，屆時(shí)會(huì)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

5、且在經(jīng)濟(jì)學(xué)等社會(huì)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)行為以及能量耗散也表現(xiàn)出分形特征。這些研究與發(fā)現(xiàn)為運(yùn)用分形與巖石力學(xué)相結(jié)合的方法定量描述巖石復(fù)雜的自然性狀和物理力學(xué)性質(zhì)提供了廣闊前景，還為工程實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的工具。分形與巖石力學(xué)相結(jié)合已廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的諸多方面，取得了令人矚目的研究成果。畢竟，分形巖石力學(xué)起步比較晚，巖石

6、力學(xué)的分形研究和應(yīng)用還不夠成熟，仍在發(fā)展當(dāng)中，適用于分形巖石力學(xué)分析和應(yīng)用的基礎(chǔ)理論框架遠(yuǎn)未形成，基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的諸多方面仍然相當(dāng)復(fù)雜和艱難。目前大多數(shù)研究主要集中于發(fā)現(xiàn)和描述巖石結(jié)構(gòu)自然形貌和巖石力學(xué)行為的分形現(xiàn)象、性質(zhì)和機(jī)理，較少涉及巖石力學(xué)分形研究的數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)和工程應(yīng)用。未來巖石力學(xué)分形研究的主要方向之一是要下大力氣研究分形巖石力學(xué)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)力學(xué)理論，即：需要研究和建立分形空間中適用于定量描述和分析分形巖石體的幾何構(gòu)形、應(yīng)力、變形、物理平衡條件、本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度準(zhǔn)則、初邊值問題、數(shù)值計(jì)算等一整套的基礎(chǔ)理論與方法。目前這方面研究已引起國際學(xué)術(shù)界的高度重視，成為下世紀(jì)非線性力學(xué)理

7、論和應(yīng)用研究的一個(gè)重要方面。至于巖石力學(xué)分形研究的工程應(yīng)用，才剛剛起步，除需進(jìn)一步加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究之外，努力推廣這種新思想和新方法在巖石工程中的實(shí)踐和應(yīng)用是巖石力學(xué)工作者面臨的另一個(gè)重要課題，有待于人們?nèi)ラ_發(fā)和應(yīng)用?？梢灶A(yù)言，盡管巖石力學(xué)的分形研究這一新興交叉學(xué)科才剛剛起步，還相當(dāng)不成熟，但基于分形巖石結(jié)構(gòu)和力學(xué)思想的巖石力學(xué)描述、分析和計(jì)算方法將會(huì)得出更加切合實(shí)際的結(jié)果。2012年，黃達(dá)、譚清、黃潤秋在石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)上發(fā)表了高圍壓卸荷條件下大理巖破碎塊度分形特征及其與能量相關(guān)性研究一文2。他們在文中得出如下結(jié)論：當(dāng)巖體處于高應(yīng)力條件下，巖石卸荷的力學(xué)響應(yīng)特征及發(fā)生機(jī)制是高地應(yīng)力地區(qū)巖體工程

8、開挖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及控制的關(guān)鍵問題?；诓煌逗伤俾屎统跏紘鷫簵l件下三軸高應(yīng)力大理巖卸圍壓試驗(yàn)，結(jié)合分形理論和能量原理，研究了高應(yīng)力卸荷條件下巖石破裂塊度分布規(guī)律及其與能量耗散和釋放的相關(guān)性。高應(yīng)力條件下三軸卸圍壓大理巖試樣碎塊分形性質(zhì)具有較強(qiáng)的局部性，僅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸閾值)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的分形性質(zhì)，其碎塊分維數(shù)均大于2，分維數(shù)隨卸荷速率增大而單調(diào)減小，但初始圍壓對(duì)分維數(shù)的影響與卸荷速率密切相關(guān)。相對(duì)常規(guī)三軸壓縮巖樣，高圍壓下卸荷巖樣雖然峰值點(diǎn)附近耗散和儲(chǔ)存應(yīng)變相對(duì)少得多，但其峰值前、后應(yīng)變能轉(zhuǎn)化速率相對(duì)大得多，特別是峰后的彈性應(yīng)變能釋放速率和環(huán)向膨脹消耗應(yīng)變能速率。高應(yīng)力卸荷

9、條件下卸荷速率越快、初始圍壓越高，峰前損傷和峰后破裂貫通歷時(shí)越短，峰值點(diǎn)處耗散應(yīng)變能和儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能越大，峰前、峰后應(yīng)變能轉(zhuǎn)化速率越快，破碎巖樣的分形特征尺寸閾值越大，分維數(shù)越小，張性破裂程度和性質(zhì)越強(qiáng)。許金余，劉石于2012年在巖土力學(xué)期刊發(fā)表了大理巖沖擊加載試驗(yàn)碎塊的分形特征分析3。他們應(yīng)用分形幾何的方法對(duì)沖擊加載試驗(yàn)中大理巖破碎塊度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。得出如下結(jié)論：大理巖的沖擊破碎塊度分布具有分形特征，采用破碎分形維數(shù)對(duì)巖石破碎過程進(jìn)行定量描述，可以合理地反映大理巖沖擊破碎的程度；大理巖的平均破碎塊度與沖擊加載速率有著較強(qiáng)的相關(guān)性，隨著加載速率的提高迅速減??；由于巖石的破壞是由于內(nèi)部裂紋的

10、發(fā)育、擴(kuò)展、貫通所致，吸收的能量越多，裂紋擴(kuò)展的越充分，碎塊產(chǎn)生的越多，破碎程度就越高，導(dǎo)致分形維數(shù)的值也就越大，因此，大理石破碎的分形維數(shù)隨著比能量吸收值的增加近似線性增加，這就從能量吸收的角度可以較好地解釋破碎分維的變化規(guī)律。綜上所述，破碎分維是評(píng)價(jià)巖石沖擊破碎塊度分布的理想指標(biāo)，可較為全面地反映巖石沖擊破碎的全過程。2013年，Abhra Giri、Sujata Tarafdar、Philippe Gouze 和Tapati Dutta在沉積巖的分形幾何：使用無限制雙分散彈道沉積模型的三維仿真4中較好的利用分形理論解決沉積巖的有關(guān)問題。他們的試驗(yàn)和結(jié)論如下（英文水平有限，翻譯的不好，但力

11、求按自己的理解翻得通順，請見諒，下面三部分的英文文獻(xiàn)做相同的處理）：無論是理論還是試驗(yàn)的一些研究，都表明沉積巖具有分形特征的孔隙顆粒界面。在本文中，計(jì)算機(jī)模擬的三維沉積巖的結(jié)構(gòu)以無限制雙分散彈道沉積模型（RBBDM）形式產(chǎn)生，用以研究其孔隙的微觀結(jié)構(gòu)的特征?？紫扼w積與巖石孔隙界面顯示相同的分維數(shù)，這就表明了孔隙體積可以用分形理論來研究。兩點(diǎn)密度的相關(guān)性為了孔隙空間和從實(shí)驗(yàn)報(bào)告中獲得比較有利范圍而被計(jì)算。一種真正沉積巖的一批二維X射線斷層掃描顯微切片，鮞狀灰?guī)r（純方解石）來自于中侏羅紀(jì)時(shí)期（巴黎盆地，法國）的曼德維爾形式，用于生成三維圖。以這種方式產(chǎn)生真正的三維巖石樣品，做為模擬結(jié)構(gòu)來進(jìn)行類比研

12、究。該結(jié)果可與仿真比較。仿真結(jié)果與真實(shí)的巖石樣品在性質(zhì)上是一致的。通過連接孔擴(kuò)散模擬的空間結(jié)構(gòu)，使用一個(gè)隨機(jī)算法，研究結(jié)果通過相似模擬研究鮞?；?guī)r試樣進(jìn)行三維模擬。在這兩種情況下的擴(kuò)散被認(rèn)為是不恰當(dāng)?shù)姆从沉顺练e巖具有分形幾何特征。模擬和真實(shí)的巖石的試驗(yàn)結(jié)果具有良好的可比性，這就支持可適用模型的沉積巖產(chǎn)生可應(yīng)用的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。3 塊體巖石力學(xué)1982年Richard.E.Goodman與石根華正式提出了塊體理論(Block Theory)。根據(jù)集合論、拓?fù)鋵W(xué)原理，運(yùn)用矢量分析和全空間赤平投影圖方法，構(gòu)造出可能的所有塊體類型，將這些塊體和開挖面的關(guān)系分成可移動(dòng)塊體和不可移動(dòng)塊體，對(duì)幾何可移動(dòng)塊體再按力

13、學(xué)條件分為穩(wěn)定塊體、潛在關(guān)鍵塊體和關(guān)鍵塊體。關(guān)鍵塊體是最危險(xiǎn)的塊體，確定了關(guān)鍵塊體后可進(jìn)行相應(yīng)的錨固計(jì)算。隨著國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)識(shí)和研究的深入，塊體理論日益被廣泛接受，業(yè)已成為巖石工程穩(wěn)定性分析的重要方法。穩(wěn)定性分析是巖體工程研究的核心問題,塊體理論是常用的巖體工程穩(wěn)定性分析方法之一。經(jīng)典塊體理論具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明基礎(chǔ),但它也是在對(duì)現(xiàn)實(shí)世界高度抽象和假定的前提下,與實(shí)際要求存在一定的距離。對(duì)經(jīng)典塊體理論的基本原理及其建立以來一些學(xué)者對(duì)它的研究和典型發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和概括,從有限性、可動(dòng)性、主動(dòng)穩(wěn)定性和被動(dòng)穩(wěn)定性四個(gè)角度對(duì)塊體進(jìn)行整體分析,巖體結(jié)構(gòu)面是控制塊體穩(wěn)定性的關(guān)鍵,結(jié)構(gòu)面的模擬和塊體系統(tǒng)模型的構(gòu)

14、建是塊體穩(wěn)定性分析的核心,塊體穩(wěn)定既受內(nèi)在因素如結(jié)構(gòu)面特征的控制,又受外界條件如各種荷載的影響,并且隨時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化?，F(xiàn)階段已有很多有關(guān)塊體理論在巖石力學(xué)方面的研究。但是，塊體理論應(yīng)用的關(guān)鍵是要對(duì)巖體中的結(jié)構(gòu)面性狀把握準(zhǔn)確，而實(shí)際巖體差異性大，結(jié)構(gòu)面也并不是平面，這就使得塊體理論在實(shí)際應(yīng)用中讓有一定的困難。隨著科技的進(jìn)步，這一矛盾會(huì)被逐漸解決的。郝杰、侍克斌、陳功民等在2014年發(fā)表了有限長跡線塊體理論及其在圍巖塊體滑落概率分析中的應(yīng)用5。他們較好地把塊體理論運(yùn)用到了工程實(shí)踐中。他們認(rèn)為關(guān)鍵塊體理論假設(shè)結(jié)構(gòu)面完全貫通所研究巖體，與實(shí)際結(jié)構(gòu)面跡線有限長相矛盾，計(jì)算得到的關(guān)鍵塊體數(shù)量偏多且安全系數(shù)

15、偏小。基于此，他們根據(jù)塊體理論赤平解析法求得關(guān)鍵塊體棱長以及實(shí)際跡線長度，運(yùn)用結(jié)構(gòu)面跡長概率分布理論將關(guān)鍵塊體概率重新定義為絕對(duì)關(guān)鍵塊體概率、相對(duì)關(guān)鍵塊體概率及非關(guān)鍵塊體概率。以等長三棱錐為例，他們的研究結(jié)果如下：當(dāng)跡棱比大于 100 時(shí)，絕對(duì)關(guān)鍵塊體概率接近 1.0，可認(rèn)為此時(shí)結(jié)構(gòu)面跡線貫通巖體；當(dāng)跡棱比等于1.5 時(shí)，相對(duì)關(guān)鍵塊體概率達(dá)到 0.75；當(dāng)跡棱比大于 7.5 時(shí)，非關(guān)鍵塊體概率接近 0。通過對(duì)布倫口公格爾水電站地下洞室某關(guān)鍵塊體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算得到該塊體安全系數(shù)為 3.145，基于絕對(duì)關(guān)鍵塊體概率的修正安全系數(shù)為 4.5915.233，增幅可達(dá) 46.0%66.4%。該論文

16、依據(jù)結(jié)構(gòu)面跡長分布規(guī)律，將關(guān)鍵塊體概率重新定義為絕對(duì)關(guān)鍵塊體、相對(duì)關(guān)鍵塊體和非關(guān)鍵塊體，拓寬了關(guān)鍵塊體的研究范圍。以正三棱錐為例分析表明三種概率會(huì)隨著跡線長和棱長的不同而相互轉(zhuǎn)化，并提出跡棱比的概念，為判別三種關(guān)鍵塊體產(chǎn)生條件提供理論依據(jù)。在塊體理論求解安全系數(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合跡線有限長提出基于絕對(duì)關(guān)鍵塊體滑落概率的修正安全系數(shù)，并應(yīng)用于布倫口公格爾水電站地下洞室某標(biāo)段的圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)中，該方法有益于圍巖穩(wěn)定性客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。2014年，張瑞新、李澤荃、趙紅澤等，在節(jié)理巖體關(guān)鍵塊體穩(wěn)定的概率分析6一文中，較為詳細(xì)的介紹了關(guān)鍵塊體理論在節(jié)理巖體穩(wěn)定分析中的概率問題。由于地下巖體受節(jié)理面的控制，節(jié)理面

17、的幾何和力學(xué)參數(shù)隨機(jī)分布，從而導(dǎo)致巖體系統(tǒng)具有高度不確定性，基于此，他們提出以關(guān)鍵塊體理論為基礎(chǔ)，考慮節(jié)理幾何和力學(xué)參數(shù)隨機(jī)性的巖體開挖可靠度分析方法，并給出了塊體穩(wěn)定的總失效概率評(píng)價(jià)模型。他們以澳大利亞阿德萊德地區(qū)一銅礦地質(zhì)條件為例，以節(jié)理面傾角、傾向、摩擦系數(shù)和黏聚力為隨機(jī)變量，通過 Monte Carlo模擬和概率圖方法，進(jìn)行了巖體可靠度和失效概率的計(jì)算。最后，采用條件概率的分析方法，計(jì)算了單面滑動(dòng)塊體的總失效概率。他們的結(jié)論如下：塊體沿單面滑動(dòng)并且出現(xiàn)的概率為 11.0%，總的失效概率為 3.85%，超過一般巖體工程可允許的風(fēng)險(xiǎn)水平，所以該方法可以作為評(píng)價(jià)塊體可靠性的依據(jù)。2013年，

18、V.V.R. Prasad、R.D. Dwivedi、Anil Swarup聯(lián)合發(fā)表了基于塊體理論確定隧道和洞穴的支撐壓力7。他們也把塊體理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，得出了很好的結(jié)果。在本論文中，為了確定巖石的壓力，作者們嘗試了一種基于塊體理論且包含巖石地質(zhì)信息和力學(xué)特性的算法。這種技術(shù)的局限性是節(jié)理組數(shù)不得少于三組以及裂縫的寬度可達(dá)25米。這種算法決定所有的楔子在同一時(shí)間，由3，4，5，6，.n 節(jié)理平面與開挖面形成，這些平面代表在洞頂和周圍墻體的圍巖壓力。所有的排列和組合的楔子的形成可以從這方面考慮。設(shè)計(jì)圍巖壓力可以很好地確定地下洞室的加固。錨桿間距可以做為一個(gè)額外的特征。此外可以確定最優(yōu)加固裂

19、縫的對(duì)齊方式。特里廠房的歷史，分析了印度模式。把Goel（1994）的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（1994）做為比較研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在周圍墻體沒有明顯的圍巖壓力。與觀察到的幾乎相同，頂板壓力為140 kPa。由此可推斷塊體理論可以應(yīng)用于在500米深度范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)規(guī)范中。4 斷裂與損傷巖石力學(xué)巖石斷裂力學(xué)是巖石力學(xué)的新的分支學(xué)科，是研究巖石斷裂韌性和斷裂力學(xué)在巖體中應(yīng)用的科學(xué)。由于斷裂力學(xué)逐漸被許多巖石力學(xué)工作者所接受，近年來這方面的研究成果顯著增加。當(dāng)前巖石斷裂力學(xué)的主要問題也是合理地確定巖石斷裂韌度。近幾年來，在金屬斷裂研究與應(yīng)用方面，開展了許多工作。對(duì)于裂紋巖石斷裂的研究和應(yīng)用，國外也已引起高度重視，但國

20、內(nèi)尚處于初始階段。許多采礦工程中的實(shí)際問題，如礦山地壓，井巷破壞，采場頂板的下沉與管理，巖層移動(dòng)，露天礦邊坡的穩(wěn)定性，巖石斷裂機(jī)理等等，都將提到巖石斷裂力學(xué)研究的日程上來?？梢灶A(yù)料，斷裂力學(xué)將在礦山工程實(shí)際應(yīng)用方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。目前金屬斷裂力學(xué)多注意拉應(yīng)力的作用，但用到多裂隙介質(zhì)的巖石中來時(shí)，則多是斷裂面處在壓應(yīng)力下的斷裂力學(xué)問題，會(huì)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(duì)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

21、的損傷檢測與識(shí)別問題。近年來，很多學(xué)者對(duì)巖石損傷的CT 識(shí)別方面進(jìn)行了償試性的研究。CT 識(shí)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(huì)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

22、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(semicircular bend，SCB)三點(diǎn)彎曲試樣，在MTS Landmark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)；(

23、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(1 Hz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(huì)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Monte Carlo方法描述巖體裂紋的隨機(jī)分布，研究高水壓作用

24、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(tái)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(duì)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

25、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，Chloé Arson，Jean-Michel Pereira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(duì)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

26、本構(gòu)模型以確定脆性多孔介質(zhì)的滲透率。他們對(duì)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(jí)，隨研究對(duì)象不同而異。其發(fā)展對(duì)固體力學(xué)研究層次的深入以及對(duì)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，

27、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

28、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(duì)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(duì)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(duì)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

29、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(duì)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(duì)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5002000J/m3；彈性能轉(zhuǎn)化率變??；巖樣能量特征指數(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

30、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。Linlin Wang，Michel Bornert，Serge Chanchole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

31、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。基于這些試驗(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。參考文獻(xiàn)1 張永興主編. 巖石力學(xué)（第二版）M. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.2 黃達(dá)，譚清，黃潤秋. 高圍壓卸荷條件下大理巖破碎塊度分形特征及其 與能量相關(guān)性研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(7)：1379-1389.3 許金余，劉石. 大理巖沖擊加載試驗(yàn)碎塊的分形特征分析J. 巖土力學(xué)， 2012，33(11)：3225-3229.4 Abhra Giri，Sujata Tarafdar，Philippe Gouze &Tapati Dutta. Fractal geometry of sedimentary rocks: simulation in 3-D using a Relaxed Bidisperse Ballistic Deposition Mode