节理岩体摩擦律的动力学机制研究

岩石节理面动摩擦特性的研究是地震预测的研究热点之一，本项目研究对岩石节理面从“波致摩擦”到“惯性摩擦”阶段的性能进行了系统的研究，对揭示地震的形成规律有重要的理论意义，所取得的主要成果如下：（1）基于平板斜撞击、霍普金森杆束系统等冲击动力学实验装置，结合杆束系统的节理滑移实验技术、基于小波分析的多点声发射实验技术、多点红外测温技术等三类技术系统研究了岩石节理面从 “波致摩擦”向“惯性摩擦”性状转化的声发射和产热等物理力学特性。波致摩擦过程节理面局部具有较大的非均匀变形，这种非均匀性导致的局部破碎的动态发展影响节理面的摩擦特性；节理面滑移产生的声发射信息主要集中在较高频率范围，例如在78.25~312.5kHz，而对应的产热的发展过程与声发射基本一致，其温度变化量级为0.01℃，主要集中在较低频率范围。此特性国内外尚无报导。（2）基于广义Dick定律形式，建立了研究节理岩体从“波致摩擦”到“惯性摩擦”到“滑动摩擦”的理论模型，应用此模型对花岗岩、碳化硼粉末、碳化硼块体等三类材料由于局部化变形导致的破裂发展规律进行了弛豫-扩散特性研究，验证了该模型的适用性。此类研究国内外尚无报导。（3）建立了岩石节理的多尺度离散元模型，对复杂节理界面动摩擦性能进行了较系统研究，探讨了节理细微观形态、节理面夹杂物对动摩擦性能的影响，形成了考虑颗粒破碎演化的较可靠的数值分析方法。(4)建立了压剪联合冲击、真三轴静载的岩石动态实验、细观冲击实验等从细微观尺度到宏观尺度的研究岩石节理复杂应力状态下动力学性能的较系统的实验设备和实验技术。相关技术国内外尚无报导。 2100433B

岩体摩擦本构关系的研究是地震孕震及板块滑动研究中的热点问题之一,但目前主要集中于滑动摩擦特性的揭示。本项目申请试图建立测试节理岩体动摩擦全过程中声发射和产热等物理力学特性的实验技术，即基于大口径的Hopkinson压杆（SHPB）试验装置研制多点声发射和多点红外测温系统，从而探索节理岩体从波致（wave-induced）摩擦到惯性摩擦到滑动摩擦这一动摩擦全过程中声频和热等信息的演化规律，由此建立由声频和热信息定量描述岩体粘滑转换的临界状态的方法。在此基础上，研究界面振动特性对摩擦强度的影响。该研究对于地震机制的认识、对于水利工程、矿山工程和隧道工程中的微地震和岩爆研究、对于工程物探等领域有着十分重要的实用意义。

岩体体积节理数指的是每立方米岩体体积内的结构面数目。

n——统计区域内结构面组数；

• 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。