第8章 岩石力学研究的新方法和新领域

第8章岩石力学研究的新方法和新领域岩石作为一种经历并隐含了复杂的应力、变形及损伤历史的地质体：构造上：高度的各向异性、非均质性和非连续性力学上：强烈的非线性、非弹性和粘滞性与应力历史、加载速率、含水量以及赋存状态等有关目前的研究方法是以连续介质力学为基础的确定性研究方法，这种一对一的映射研究使岩石力学模型越来越复杂。8.1岩石分形理论（FractalTheoryofRockMechanics）8.1.1分形－岩石力学分形几何研究自然界中没有特征长度，具有自相似性的形状和现象。度量分形的工具是分数维。分形－岩石力学定义在分形度量空间的岩石力学理论，是研究考虑自然分形效应的岩石介质变形破坏规律的力学理论。研究阶段第一层次：上世纪70～80年代，着重对现象的描述，然后与物理量挂钩，得到关系加以解释。第二层次：目前侧重对岩石分形的物理机制和演化规律的研究。8.1.2分形几何在岩石力学中的应用1岩石的分形断裂Louis等用计算机模拟了不同边界条件下各种物理性质的材料破裂的自相似特性，其自相似分维数D＝1.6左右；谢和平提出岩石微破裂的分形模型（图）；T.Hirata等通过实验的声发射特征研究岩石的微破裂过程，推广到地震认为在主大震发生前破裂的分维数减小。2岩石破裂面的分形特征谢和平发现分数维是断面不规则程度的度量，D越大，断面不规则程度越大。3岩石断裂的分形分布Borton的研究得到断裂分布的分数维D在1.0～2.0之间。谢和平发现断裂区的雁形裂纹具有分形结构，给出了雁形裂纹的分数维（图）。Michele等利用卫星图像等分析发现同一地区断裂分布的分形特征相同，不同地区的不同。4岩石碎屑的分形大量的研究表明：岩石破碎、风化、爆炸产生的碎屑分布具有指数关系，岩石碎屑具有尺度无关性。5分数维的物理意义及其应用研究表明：分数维是一个实在的物理量，断层滑动速率，地震分布，节理粗糙度以及岩体破裂释放的能量，裂纹扩展力和扩展速率等都跟分数维有一定的关系。8.2岩石力学非连续变形分析8.2.1概述由于岩体是非连续介质，存在各种类型的地质结构面，在力学性质上呈现出不连续性和非线性。用经典的力学分析方法具有局限性。1968年Goodman提出在数值分析中考虑岩体的节理单元，目前在研究块体系统运动和变形方面有三大方法：DDA（discontinuousdeformationanalysis）：我国旅美学者石根华博士DEM（离散单元法）：英国的P.A.CundallRBSM（刚体－弹簧法）：日本学者Kawai8.2.2不连续变形分析方法及其特点1基本思路以天然存在的不连续面（如节理、断层等）切割岩体，形成单个块体单元。单元的形状可以是任意多面体，块体之间的接触可以是面、边、角三者任意组合而成的六种形式之一；以12个块体位移变量来表示块体内任意一点的位移和变形特征；采用与有限元相似的位移模式，利用全一阶多项式近似或高阶多项式近似；块体满足平衡方程，块体接触面上采取合适的摩擦方式来消耗能量。块体间严格遵守不侵入和不承受拉力的要求。通过块体间的接触和位移约束，将单个块体有机地联系起来，形成一个块体系统。在势能最小原理的条件下，建立单个块体的单元刚度矩阵和块体系统的总体刚度矩阵；按不同要求，反复形成和求解总体刚度矩阵，最后求得每个块体的和整个块体系统的位移变形。DDA正分析流程图2特性完备的块体运动学理论及其数值实现；完善的一阶位移近似；严格的平衡假设；正确的能量耗散；高效的计算效率。8.3岩石损伤力学8.3.1损伤及损伤力学损伤在各种加载条件下，材料内凝聚力的渐进性减弱，并导致体积单元的破坏的现象。不是一种物理性质，是作为一种“劣化因素”被结合到弹性、塑性、粘弹性介质中。损伤力学材料在外界作用下，由于内部缺陷的产生和发展而劣化，此过程不可逆。材料的破坏过程就是这种劣化的累积过程，当累积到一定程度后材料产生宏观裂纹而破坏。8.3.2岩石损伤力学的发展1958年：前苏联学者Kachanov提出“连续性因子”和“有效应力”概念1963年：他的学生Rabotnov提出“损伤因子”概念1977年：法国学者Lemaitre和Chaboche建立损伤力学学科；1979年：Dragon和Morz提出能反映应变软化的岩石与混凝土的弹塑性本构关系1985年：Lemaitre采用等效应变概念提出一个应力应变关系1985年：Kyoya和Kawamoto用二阶对称张量代表岩体中节理裂隙的几何特征1987年：Frantziskonis和Desai提出一个损伤模型用于岩石软化；1990年：Vallippan研究了岩石的横观各向异性损伤问题。8.3.3岩石损伤力学的研究内容1相关概念和假设（1）有效应力概念在单轴拉伸下－无损伤截面面积；面积和表观面积的比值－受载试件断面的实际－轴向力－损伤变量－净应力有效应力0''0PD)1(ADAPefef（2）应变等效原理损伤材料（D不等于零）在有效应力作用下产生的应变与同种材料无损（D等于零）时发生的应变等效。（3）脆性损伤的基本假设多数工程条件下岩石的强度和变形呈现脆性特征，故假设：岩石是由基体（无裂纹部分）和损伤体（微裂纹部分）两部分组成；岩体的基体为各向同性的弹性介质；岩体的损伤体为无屈服强度的刚塑性体；弹性变形不会引起岩体的损伤；静水压力不会引起岩体的损伤；岩体中的基体及损伤部分的变形是协调的即它们的应变相等（4）Betti能量互易定律多裂纹各向异性的固体等效弹性应变能等于相应的无裂纹各向同性固体的应变能与固体中多裂纹产生的附加应变能之和。（5）损伤具有不可逆性损伤状态满足不可逆过程的约束条件和基本定律。2研究方法研究对象是包含连续分布缺陷的岩体，研究的主要目的是确定损伤连续场变量的演化规律。根据研究的特征尺寸和发展趋势，分为4种研究方法：（1）细观方法（2）宏观方法（3）微观方法（4）宏观、细观、微观相结合3损伤变量及其确定（1）微观尺度孔洞的数目、长度、面积以及体积孔洞的几何形状、排列与定向由孔洞的几何形状、排列与定向确定的有效面积（2）宏观尺度弹性常数、蠕变率、应力和应变的大小屈服应力、拉伸强度长期强度、蠕变破坏时间伸长度质量密度电阻、超声波速与声发射4损伤的测量（1）通过物理参量与等效应力概念的测量方法（2）超声衰减技术（3）声发射技术（4）光学技术测量（5）显微光学方法（6）CT技术（7）与分形几何相结合5损伤演化研究表明岩体的损伤是在初始损伤的基础上累进性发展的，岩体损伤是不可逆的。岩体的损伤演化是微观裂隙的进一步发展，具体表现在裂隙之间的岩桥是裂隙扩展的薄弱环节，裂隙发展沿着岩桥方向延伸扩展，即裂隙沿自身平面方向扩展；裂隙扩展分为2个阶段进行，即稳定扩展过程和失稳扩展。在裂隙稳定扩展阶段，裂隙扩展阻力随裂隙扩展而增大。8.3.4岩石损伤力学的前景岩体损伤力学将损伤力学理论、岩体结构面网络模拟、数值计算和分形几何有机结为一体，显示广阔的发展前景：岩体从损伤的萌生到演变，直至宏观裂纹产生及裂纹扩展、破坏的全过程的研究细观结构演化及损伤演化的运动学与力学之间的定量联系损伤变量的选取及损伤测量技术的研究不同性质的损伤耦合作用及岩体损伤的微观机制岩石的时效损伤问题岩体损伤破坏判据问题岩体动态损伤问题岩石的损伤本构模型岩石的细观、宏观破坏过程的计算机模拟分形几何与损伤力学的结合岩石损伤理论的工程应用8.4扰动状态概念理论（DisturbedStateConceptTheory）8.4.1扰动状态概念1974年由美国学者Desai提出，为工程材料提供了一种全新的、统一的本构模拟方法。可用于描述在不同荷载（加载、卸载及循环加载）作用下，材料的硬化及软化行为、岩石类材料界面和节理的力学响应；分析砂土液化机理；建立电子封装材料的本构关系；进行相关的数值模拟等。8.4.2扰动状态的基本原理和方法假定作用力（机械力、热力、环境力）引起材料微观结构的扰动，致使材料微观结构发生变化。由于扰动，材料内部的微观结构从最初的相对完整状态（RI状态）经过一个自觉的自动调节过程，达到完全调整状态（临界状态，FA状态）。这种自调整过程可能包含能导致材料产生微裂纹、损伤或强化的颗粒的相对运动，它能引起可观测到的明显扰动，特别是在以上两种状态下的响应。用扰动函数来表示观测响应、初始响应和临界响应的关系，并用宏观测量来描述扰动的演化，来对材料的本构关系进行模拟。8.5智能岩石力学（IntelligentRockMechanics）8.5.1背景岩石力学涉及的问题存在两个制约：数据有限问题的特征与规律不完全清楚由于地质数据和岩体性能的不确定性，模型和力学参数的选取、计算结果的解释的人为因素很大。8.5.2智能力学及其特征1智能力学的方法应用人工智能的思想，研究智能化的力学分析与计算模型，研制具有感知、推理学习、联想决策等思维活动的计算机综合集成智能系统，解决人类专家才能处理的岩体力学问题。2智能岩石力学和传统岩石力学的区别3智能岩石力学的主要研究思路和内容