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1、 1、引言 2、數(shù)值分析在巖石力學(xué)中的應(yīng)用 3、巖石細(xì)觀力學(xué)研究 4、巖石斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)概論 5、巖石力學(xué)中的耦合分析 6、深部巖體力學(xué)問題 7、新的數(shù)學(xué)方法和軟科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng) 用 8、其他第十章第十章 巖石力學(xué)研究新進(jìn)展巖石力學(xué)研究新進(jìn)展 第一節(jié) 引 言 巖石力學(xué)是一門既具有理論內(nèi)涵,工程實踐性又很強(qiáng)的發(fā)展中的科學(xué)。 自然界中的巖體被各種構(gòu)造形跡(如:斷層、節(jié)理、層理、破碎帶等)切割成既連續(xù)又不連續(xù)的地質(zhì)體。 許多巖石力學(xué)過程的數(shù)學(xué)描述要么是不存在的,要么是不完全的,可以廣泛接受的概化模型并不多。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)值分析在巖體力學(xué)中的應(yīng)數(shù)值分析在巖體力學(xué)中的應(yīng)用用 和發(fā)展和發(fā)展(一)
2、數(shù)值分析方法的分類在巖石力學(xué)有關(guān)領(lǐng)域的數(shù)值分析方法應(yīng)用中,主要使用的方法為有限元法,邊界單元,離散單元法,拉格朗日單元法及塊體理論等(二)有限元法原理及其應(yīng)用要點原理:通過變分原理(或加權(quán)余量法)和分區(qū)插值的離散化處理把基本支配方程轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程,把待解域內(nèi)的連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為求解有限個離散點(節(jié)點)處的場函數(shù)值。 應(yīng)用要點: .正確劃分計算范圍與邊界條件 2.正確輸入巖體參數(shù)及初始地應(yīng)力場 3.采用特殊單元來考慮巖體的非連續(xù)性和邊界效應(yīng)(三)巖石力學(xué)問題的其他數(shù)值分析方法1.1.邊界單元法邊界單元法 有限元法是對問題的微分近似表達(dá)式給出了精確解,它實質(zhì)上屬于微分法。 與微分法相對應(yīng)的是積分法
3、,積分法所涉及的邊界可包圍整個問題域,而數(shù)值分析的離散化僅在邊界上近似。下圖表示了在外部問題模擬時微分法與積分法之間的區(qū)別。2.2.離散單元法離散單元法 離散單元法完全強(qiáng)調(diào)巖體的非連續(xù)性。它認(rèn)為,巖體中的各離散單元,在初始應(yīng)力作用下各塊體保持平衡。巖體被表面或內(nèi)部開挖以后,一部分巖體就存在不平衡力,離散單元法對計算域內(nèi)的每個塊體所受的四周作用力及自重進(jìn)行不平衡計算,并采用牛頓運(yùn)動定律確定該巖塊內(nèi)不平衡力引起的速度和位移。反復(fù)逐個巖塊進(jìn)行類似計算,最終確定巖體在已知荷載作用下是否將破壞或計算出最終穩(wěn)定體系的累計位移。 離散單元法算例:研究地下煤層開挖引起冒落和巖層移動,研究冒落帶深度與節(jié)理間距的
4、關(guān)系。 3. 3.塊體理論塊體理論 塊體理論就是針對個性各異的巖體中具有結(jié)構(gòu)面這一共性,根據(jù)集合論柘樸學(xué)原理,運(yùn)用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法,構(gòu)造出可能有的一切塊體類型,進(jìn)而將這些塊體和開挖面的關(guān)系分成可移動塊體和不可移動塊體,對幾何可移動塊體在按力學(xué)條件分為穩(wěn)定塊體、潛在關(guān)鍵塊體、關(guān)鍵塊體。 此外,在計算方法上,還有半解析法、加權(quán)殘余法以及松弛法中的經(jīng)松弛法以及上述方法的耦合應(yīng)用。 例子第三節(jié) 巖石細(xì)觀力學(xué)研究 1 尺寸劃分 1)自然界普遍發(fā)育、直接影響巖體力學(xué)特性、大于毫米級的裂隙、節(jié)理、斷層等為宏觀尺寸。 2)發(fā)育在巖石結(jié)構(gòu)中,直接影響巖石力學(xué)性質(zhì)、毫米微米級的裂紋為細(xì)觀尺寸。 3
5、、發(fā)育在巖石礦物晶體內(nèi)部,一般對巖石的宏觀力學(xué)性質(zhì)沒有直接影響的微裂紋、位錯等為微觀尺寸。 巖石細(xì)觀力學(xué)是研究細(xì)觀尺寸上巖石破裂演化過程及破壞規(guī)律的科學(xué)。 2 巖石力學(xué)細(xì)觀力學(xué)研究方法 1)理論上:統(tǒng)計細(xì)觀損傷力學(xué)方法。包括細(xì)觀描述、統(tǒng)計描述和宏觀描述。 2)實驗上: 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; 計算機(jī)斷層成像,即CT技術(shù)。一、巖體力學(xué)的發(fā)展與工程地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)學(xué)科發(fā)一、巖體力學(xué)的發(fā)展與工程地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)學(xué)科發(fā)展緊密相關(guān)展緊密相關(guān) 今天隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,世界上在礦產(chǎn)資源勘探,能源開發(fā),工程建設(shè)的環(huán)境與安全等方面的需要,對巖體力學(xué)提出了更多更高的要求。大型,特大型
6、的巖體工程修建,都使巖體力學(xué)面臨著前所謂遇的難題。這些問題的解決,一方面要依靠巖體力學(xué)的理論與方法的進(jìn)一步完善,另一方面,也要求地質(zhì)學(xué)科,尤第四節(jié) 巖石斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)概論 其是工程地質(zhì)方面的學(xué)科的理論與方法進(jìn)一步完善。特別是勘探手段與技術(shù)方法的發(fā)展緊密相關(guān)。因此要發(fā)展巖體力學(xué)著門學(xué)科,應(yīng)密切注視工程地質(zhì)學(xué)科方面的發(fā)展,它們是相輔相成密不可分的。二、固體力學(xué)成就在巖體力學(xué)中的應(yīng)用二、固體力學(xué)成就在巖體力學(xué)中的應(yīng)用(一)斷裂力學(xué)在巖體力學(xué)中的應(yīng)用 目前,巖石斷裂力學(xué)的應(yīng)用前景主要如下: 1.巖石的斷裂預(yù)測與控制斷裂; 2.巖石裂紋的形成與擴(kuò)展. 巖石斷裂力學(xué): 運(yùn)用斷裂力學(xué)方法研究巖石中宏觀裂
7、紋尖端的應(yīng)力、位移,提出裂紋起裂的判據(jù)幾裂紋開裂方向。包括線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)。 巖石損傷力學(xué): 在環(huán)境或外載作用下,由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的缺陷(微裂紋、微空洞等)引起材料或結(jié)構(gòu)的劣化過程稱為損傷。巖石損傷力學(xué)是研究含損傷巖石的變形過程、損傷演化及破壞力學(xué)過程的科學(xué)。(二)損傷力學(xué)在巖體力學(xué)中的應(yīng)用 將損傷力學(xué)的基本方法和過程應(yīng)用于巖石力學(xué)即巖石損傷力學(xué)。巖石損傷力學(xué)認(rèn)為:巖體內(nèi)存在有連續(xù)分布性的初始缺陷和密集的微觀裂紋,但在宏觀上仍可視為連續(xù)介質(zhì)看待。對于遍布節(jié)理,裂隙巖體或呈多組節(jié)理分布的裂隙巖體更切合實際。三、巖石力學(xué)試驗與測試方法的進(jìn)展三、巖石力學(xué)試驗與測試方法的進(jìn)展(一)在室內(nèi)模擬
8、試驗方面,離心模擬試驗由于具有其他模擬試驗方法所不具備的優(yōu)點而受到注視。(二)聲波層析技術(shù)在巖體力學(xué)方面的應(yīng)用受到注視。聲波層析技術(shù)在巖體測試中的應(yīng)用五、位移反分析法在巖體力學(xué)中的應(yīng)用五、位移反分析法在巖體力學(xué)中的應(yīng)用1.位移反分析法:在巖體工程施工開挖過程中,通過測量位移、應(yīng)變或應(yīng)力,來確定巖體的初始地應(yīng)力或巖體力學(xué)參數(shù)。2.應(yīng)用 反問題法不僅是參數(shù)估計,它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用是工程預(yù)測和險情預(yù)報、反饋動態(tài)設(shè)計、調(diào)整施工方案以及可靠度評價等第五節(jié) 巖石力學(xué)中的耦合分析 是研究系統(tǒng)中多場相互制約、相互影響的規(guī)律的科學(xué)。包括兩場耦合和三場耦合,如應(yīng)力場與滲流場耦合,應(yīng)力場、溫度場和滲流場耦合。第六節(jié)
9、 深部巖體力學(xué)問題 地下空間不斷走向深部:礦山、水電工程的引水隧道、核廢料的深埋處、深層地下防護(hù)工程等。與淺部巖體工程相比具有較大的差異,而用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論無法圓滿解決,成為當(dāng)前研究的熱點。 一、深部巖體的特點 1、具有非均勻、非連續(xù)特點; 2、深部巖體變形具有非協(xié)調(diào)、非連續(xù)特點; 3、深部巖體具有非常高的應(yīng)力狀態(tài); 4、深部巖體具有儲能特點; 5、深部巖體具有塊系結(jié)構(gòu)特點。 二、深部巖體工程力學(xué)特性 1、分區(qū)破裂化現(xiàn)象; 2、巖爆與沖擊動力現(xiàn)象;三、深部巖體工程施工設(shè)計特點 深部巖石力學(xué)關(guān)于巖爆、大變形以及分區(qū)破裂化的機(jī)理和發(fā)生發(fā)展規(guī)律尚是一個正在研究的課題,因此,此設(shè)計計算理論尚未
10、形成。1.1.分形幾何及其在巖石力學(xué)中的應(yīng)用分形幾何及其在巖石力學(xué)中的應(yīng)用 分形幾何是近十年來發(fā)展起來的研究非線性現(xiàn)象和圖形不規(guī)律性的理論和方法,它在處理巖石斷裂形貌、巖石破碎、巖體結(jié)構(gòu)、巖石顆粒特征等過去認(rèn)為難以解決的復(fù)雜問題,得到了一系列準(zhǔn)確的解釋和定量結(jié)果。下面圖表是分形幾何在巖體結(jié)構(gòu)的分維中的應(yīng)用。第七節(jié)第七節(jié) 新的數(shù)學(xué)計算方法和軟科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用新的數(shù)學(xué)計算方法和軟科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用 建立在分形度量空間上的巖石力學(xué)理論,具體而言,就是研究考慮自然分形效應(yīng)的巖石介質(zhì)變形破壞規(guī)律。 上世紀(jì)七、八十年代,分形巖石力學(xué)研究的第一個層次:對現(xiàn)象的描述,如地形地貌、裂紋擴(kuò)展路徑、裂隙網(wǎng)絡(luò)的分形計算等。 目前,分形巖石力學(xué)研究的第二個層次:對巖石分形的物理機(jī)制和演化規(guī)律的研究。將分形理論與巖石損傷和斷裂力學(xué)有機(jī)地結(jié)合,應(yīng)用分?jǐn)?shù)維數(shù)反映巖石的損傷演化程度,建立巖石分形效應(yīng)與動態(tài)態(tài)破壞之間的聯(lián)系;通過實測分?jǐn)?shù)預(yù)測沖擊地壓、巖爆等災(zāi)害。2.統(tǒng)計巖石力學(xué)3
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