第25卷第10期岩石力学与工程学报V ol.25 No.10 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006热应力作用下的岩石破裂过程分析 唐世斌1，唐春安1，2，朱万成3，王述红3，于庆磊3 (1. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622； 3. 东北大学岩石破裂与失稳中心，辽宁沈阳 110004) 摘要：热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。岩石热破裂研究的工程意义重大。根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。RFPA2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。 关键词：岩石力学；热应力；非均匀性；数值模拟；热开裂 中图分类号：TU 45；O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)10–2071–08 NUMERICAL INVESTIGATION ON ROCK FAILURE PROCESS INDUCED BY THERMAL STRESS TANG Shibin1，TANG Chun′an1，2，ZHU Wancheng3，WANG Shuhong3，YU Qinglei3 (1. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China； 2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China； 3. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China) Abstract： Rock failure induced by thermal stress is called thermal cracking. It is the result of thermal and mechanical coupling. Based on the basic theory of rock deformation and thermodynamics，considering the heterogeneity and the coupling of thermal and mechanics，a numerical model，RFPA2D-thermal code，is proposed. With this model，the temperature and stress fields can be determined. The most important is that the failure process of rock induced by thermal or external stress can be simulated. Using this numerical model，the failure progresses of a rock sample with an inlaid grain was modelled during the change of temperature. It turns out that during temperature increment，if the thermal expansion coefficient of the inlaid grain is larger than that of the surrounding media，radial-cracks will be generated in the surrounding media，and theta-cracks emerge if the thermal expansion coefficient of inlaid grain is smaller than that of the surrounding media. The results agree well with the experimental results. The RFPA2D-thermal model provides a new method for analyzing the thermal cracking of rock samples in microscopic view. Key words：rock mechanics；thermal stress；heterogeneity；numerical simulation；thermal cracking 收稿日期：2005–07–20；修回日期：2005–11–11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50504003) 作者简介：唐世斌(1980–)，男，2003年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事热应力作用下的岩石破裂数值分析方面的研究工作。E-mail：tang_shibin@https://www.doczj.com/doc/3d11093903.html,
Z1东大岩石破裂自然奖项目公示
推荐2016年度国家自然科学奖项目公示 一、项目名称 岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律 二、推荐单位意见 矿山开采和岩石工程开挖引起的灾害造成大量的人员伤亡和财产损失。开采或岩石工程开挖诱发的许多工程灾害都与岩石破裂过程失稳有关，岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律是认识灾害发生的机理和进行灾害预警的关键性理论与技术问题。本项研究从实验研究、数值模拟方法研究及其工程应用等方面，系统地研究了岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律，创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟方法RFPA，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具，推动了岩石破坏力学的发展；研究形成了以岩石微破裂监测与并行数值模拟相结合的工程岩体灾害预警新方法，在10余个典型或重大工程中得到成功应用，通过现场工程措施的实施，确保了岩石工程的安全，创造了可观的经济效益和社会效益。 该项目创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟新方法，并为国内外同行广泛应用，在国际上具有重要的学术影响。发表20篇论著总计被他引3476次，其中被SCI-E他引541次、CPCI-S他引258次、CNKI他引2677次。包括原国际岩石力学学会主席C.Fairhurst教授、J.A.Hudson教授在内的1000多位国内外专家，都在公开出版物中给予了正面引用与评价。课题组为我国岩石力学界培养了第一个国际岩石力学学会Rocha奖获得者，实现了国际岩石力学学会设奖27年来我国零的突破。国内外学者应用岩石破裂过程分析系统RFPA获得硕士、博士学位
论文的达到60余篇。本项成果已在加拿大、瑞典、香港及国内30余所高校或研究机构得到应用，协助国内十余所高校挂牌成立了与岩石破坏机理分析相关的“数值实验室”，并在济钢张马屯铁矿突水、淮南矿业集团瓦斯突出、唐钢矿业公司突冒突涌、锦屏二级水电工程隧道施工岩爆等灾害的监测预警中得到应用，为确保岩石工程安全提供了新的手段，取得了较好的经济效益和社会效益。 特推荐国家自然科学奖一等奖。 三、项目简介 矿山开采或岩石工程开挖诱发的许多工程灾害都与岩石破裂过程失稳有关。本项研究从实验研究、数值模拟方法研究及其工程应用等诸方面，系统地研究了岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律，创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟方法RFPA，研究形成了以岩石微破裂监测与大规模高性能数值模拟相结合的工程岩体灾害预警新方法，通过现场工程措施的实施，为确保岩石工程安全提供了新的手段。该项目的主要研究及科学意义在于： (1)建立了岩石非线性统计损伤本构理论和岩石破裂失稳灾变模型，揭示了加载系统弹性回弹行为与岩石试样相互作用所带来的岩石破裂规律的复杂性，为研究岩爆等岩体工程动力灾害奠定了理论与实验基础，推动了岩石破坏力学的发展。 (2)基于“脆性破裂孕育在小变形之中”的深刻认识，提出了基于小变形和大位移原理的岩石破裂全过程分析学术思想，建立了用细观非均匀性模拟宏观非线性、用连续介质力学方法模拟非连续介质破裂问题的新型数值分析RFPA(Rock Failure Process Analysis)方法，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具。
,. 五、岩石的破坏准则 对岩石试样的室内及现场试验，可获得岩石试样的强度指标，但对复杂应力状态下的天然岩体，又是如何判断其破坏呢？因此，就必须建立判断岩石破坏的准则（或称强度理论）。 岩石的应力、应变增长到一定程度，岩石将发生破坏。用来表征岩石破坏条件的函数称为岩石的破坏准则。 岩石在外力作用下常常处于复杂的应力状态，许多试验指出，岩石的强度及其在荷载作用下的性状与岩石的应力状态有着很大的关系。在单向应力状态下表现出脆性的岩石，在三向应力状态下具有延
,. 性性质，同时它的强度极限也大大提高了。
,. 许多部门和学者从不同角度提出不同的破坏准则，目前岩石破坏准则主要有：最大正应力理论 最大正应变理论 最大剪应力理论（H.Tresca） 八面体应力理论 莫尔理论及库伦准则 格里菲思理论（Griffith） 伦特堡理论（Lundborg） 经验破坏准则
,. 1、最大正应力理论 这是较早的一种理论，该理论认为岩石的破坏只取决于绝对值最大的正应力。即岩石内的三个主应力中只要有一个达到单轴抗压或抗拉强度时，材料就破坏。 适用条件： 单向应力状态。对复杂应力状态不适用。 写成解析式： 0))()((22322 2221=---R R R σσσ 0))()((223222221≥---R R R σσσ 破坏
,. 2、最大正应变理论 该理论认为岩石的破坏取决于最大正应变，即岩石内任一方向的正应变达到单向压缩或拉伸时的破坏数值时，岩石就发生破坏。 则破坏准则为 u εε≥max 式中 m ax ε——岩石内发生的最大应变值； u ε——单向拉、压时极限应变值； 这一破坏准则的解析式为（由广义虎克定律）
第一章岩石物理力学性质；1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些？；答：岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、；2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？；答：基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石；3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点；答：岩石中结构连接的类型主要有两种，分别是结晶连；结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起；4.何谓岩石中的 第一章岩石物理力学性质 1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些？ 答：岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、磁铁矿等。 2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？ 答：基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石及斜长石组成，所以非常容易风化。 3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点？ 答：岩石中结构连接的类型主要有两种，分别是结晶连接和胶结连接。 结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。这类连接使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，抗风化能力强；胶结连接指岩石矿物颗粒与颗粒之间通过胶结物连接在一起，这种连接的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。 4.何谓岩石中的微结构面，主要指哪些，各有什么特点？ 答：岩石中的微结构面（或称缺陷）是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合之间微小的若面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。
矿物解理面指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶防线分裂成光滑平面，解理面往往平行于矿物晶体面网间距较大的面网。 晶粒边界：由于矿物晶粒表面电价不平衡而引起矿物表面的结合力，该结合力源小于矿物晶粒内部分子、原子、离子键之间的作用力，因此相对较弱，从而造成矿物晶粒边界相对软弱。微裂隙：指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂痕迹线。具有方向性。粒间空隙：多在成岩过程中形成晶粒之间、胶结物之间微小的空隙。 5.自然界中的岩石按地质成因分类，可以分为几大类，各大类有何特点？ 答：按地质成因分类，自然界中岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。 岩浆岩按照岩浆冷凝成岩的地质环境不同又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。其中深成岩常形成巨大的侵入体，有巨型岩体，大的如岩盘、岩基，其形成环境都处在高温高压之下，形成过程中由于岩浆有充分的分异作用，常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等，其岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构多为六面体和八面体，岩体颗粒均匀，多为粗-中粒结构，致密坚硬，空隙少，力学强度高，透水性弱，抗水性强；浅成岩成分与相应的深成岩相似，其产状多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体结构常呈镶嵌式结构，岩石常呈斑状结构和均粒-中细粒结构，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化能力强，斑状结构则差一些；喷出岩有喷发及溢流之别，其结构比较复杂，岩性不一，各向异性显著，岩体连续性差，透水性强，软弱结构面发育。 沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的。其矿物成分主要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性，按形成条件和结构特点，沉积岩可分为：火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等。 变质岩是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用形成的。因其形成的温度、压强等变质因素复杂，其力学性质差别很大，不能一概而论。 6.表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？
岩石的破坏准则 岩石的破坏准则 对岩石试样的室内及现场试验，可获得岩石试样的强度指标，但对复杂应力状态下的天然岩体，又是如何判断其破坏呢？因此，就必须建立判断岩石破坏的准则（或称强度理论）。 岩石的应力、应变增长到一定程度，岩石将发生破坏。用来表征岩石破坏条件的函数称为岩石的破坏准则。 岩石在外力作用下常常处于复杂的应力状态，许多试验指出，岩石的强度及其在荷载作用下的性状与岩石的应力状态有着很大的关系。在单向应力状态下表现出脆性的岩石，在三向应力状态下具有延 1
岩石的破坏准则 2 性性质，同时它的强度极限也大大提高了。
岩石的破坏准则 许多部门和学者从不同角度提出不同的破坏准则，目前岩石破坏准则主要有：最大正应力理论 最大正应变理论 最大剪应力理论（H.Tresca） 八面体应力理论 莫尔理论及库伦准则 格里菲思理论（Griffith） 伦特堡理论（Lundborg） 经验破坏准则 3
岩石的破坏准则 4 1、最大正应力理论 这是较早的一种理论，该理论认为岩石的破坏只取决于绝对值最大的正应力。即岩石内的三个主应力中只要有一个达到单轴抗压或抗拉强度时，材料就破坏。 适用条件： 单向应力状态。对复杂应力状态不适用。 写成解析式： 破坏
岩石的破坏准则 5 2、最大正应变理论 该理论认为岩石的破坏取决于最大正应变，即岩石内任一方向的正应变达到单向压缩或拉伸时的破坏数值时，岩石就发生破坏。 则破坏准则为 式中 m ax ε——岩石内发生的最大应变值； u ε——单向拉、压时极限应变值； 这一破坏准则的解析式为（由广义虎克定律）
《岩石力学》期末试卷及答案 姓名 学号 成绩 一、 选择题(每题1分，共20分) 1. 已知岩样的容重为γ，天然含水量为0w ，比重为s G ，40C 时水的容重为w γ，则该岩样的饱和容重m γ为（ A ） A. ()()w s s G w G γγ++-011 B. ()()w s s G w G γγ+++011 C. ()()γγ++-s s w G w G 011 D. ()()w s s G w G γγ+--011 2. 岩石中细微裂隙的发生和发展结果引起岩石的（ A ） A ．脆性破坏 B. 塑性破坏 C. 弱面剪切破坏 D. 拉伸破坏 3. 同一种岩石其单轴抗压强度为c R ，单轴抗拉强度t R ，抗剪强度f τ之间一般关系为（ C ） A.f c t R R τ<< B. f t c R R τ<< C. c f t R R <<τ D. t f c R R <<τ 4. 岩石的蠕变是指（ D ） A. 应力不变时，应变也不变； B. 应力变化时，应变不变化； C. 应力变化时，应变呈线性随之变化； D. 应力不变时应变随时间而增长 5. 模量比是指（A ） A ．岩石的单轴抗压强度和它的弹性模量之比 B. 岩石的 弹性模量和它的单轴抗压强度之比 C ．岩体的 单轴抗压强度和它的弹性模量之比 D ．岩体的 弹性模量和它的单轴抗压强度之比 6. 对于均质岩体而言，下面岩体的那种应力状态是稳定状态（ A ） A.??σσσσsin 23131<++-cctg B.?? σσσσsin 23131>++-cctg C. ??σσσσsin 23131=++-cctg D.??σσσσsin 23131≤++-cctg 7. 用RMR 法对岩体进行分类时，需要首先确定RMR 的初始值，依据是（ D ） A ．完整岩石的声波速度、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 B. 完整岩石的强度、RQD 值、节理间距、节理状态与不支护自稳时间 C. 完整岩石的弹性模量、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 D. 完整岩石的强度、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 8. 下面关于岩石变形特性描述正确的是（ B ） A. 弹性就是加载与卸载曲线完全重合，且近似为直线 B. 在单轴实验中表现为脆性的岩石试样在三轴实验中塑性增强 C. 加载速率对应力－应变曲线没有影响 D. 岩基的不均匀沉降是由于组成岩基的不同岩石材料含水量不同导致的 9. 下面关于岩石水理性质描述正确的是（ B ）
2.1岩石破坏强度准则 岩石的破坏主要与外荷载的作用方式、温度及湿度有关。一般在低温、低围压及高应变率的条件下，岩石表现为脆性破坏，而在高温、高围压、低应变率作用下，岩石则表现为塑性或者塑性流动。对于较完整的岩石来说，其破坏形式可以分为：1)脆性破坏；3)延性破坏。图2-1给出了不同应力状态下岩石破裂前应变值、破坏形态示意图和典型的应力-应变曲线示意图。 图2-1岩石破坏形态示意图 从图2-1中可以看出岩石破裂种类繁多、岩石破坏过程中的应力、变形、裂纹产生和扩展极为复杂，很难用一种模型进行描述，很多学者针对不同岩石破坏特征提出多种不同岩石的强度破坏准则。本节主要对已有的岩石强度破坏准则进行总结，找出它们各自的优缺点。 2.1.1最大正应力强度理论 最大正应力强度理论也称朗肯理论，该理论是1857年提出的。它假定挡土墙背垂直、光滑，其后土体表面水平并无限延伸，这时土体内的任意水平面和墙
的背面均为主平面（在这两个平面上的剪应力为零），作用在该平面上的法向应力即为主应力。朗肯根据墙后主体处于极限平衡状态，应用极限平衡条件，推导出了主动土压力和被动土压力计算公式。 考察挡土墙后主体表面下深度z 处的微小单元体的应力状态变化过程。当挡土墙在土压力的作用下向远离土体的方向位移时，作用在微分土体上的竖向应力sz 保持不变，而水平向应力sx 逐渐减小，直至达到土体处于极限平衡状态。土体处于极限平衡状态时的最大主应力为s1=gz ，而最小主应力s3即为主动土压力强度pa 。根据，当主体中某点处于极限平衡状态时，大主应力1σ和小主应力3σ之间应满足以下关系式： 粘性土： 213...2tan tan 454522c ??σσ??????=-++ ? ???? ?（1） 无粘性土 231.tan 452 ?σσ? ??=- ?? ? （2） 该理论认为材料破坏取决于绝对值最大的正应力。因此，作用于岩石的三个正应力中，只要有一个主应力达到岩石的单轴抗压强度或岩石的单轴抗拉强度，岩石便被破坏。 因此，朗肯强度破坏准则可以表示为：c σσ≥1，或者t σσ-≤3 式中，1σ为岩石受到的最大主应力，MPa ；3σ为岩石受到的最小主应力，MPa ；c σ为岩石单轴抗压强度，MPa ；t σ为岩石抗拉强度，MPa 。 朗肯强度破坏准则只适用于岩石单向受力及脆性岩石在二维应力条件下的受拉状态，处于复杂应力状态中的岩石不能采用这种强度理论。 2.1.2最大正应变强度理论 岩石受压时沿着平行于受力方向产生张性破裂。因此，人们认为岩石的破坏取决于最大正应变，岩石发生张性破裂的原因是由于其最大正应变达到或超过一定的极限应变所致。根据这个理论，只要岩石内任意方向上的正应变达到单轴压缩破坏或单轴拉伸破坏时的应变值，岩石便被破坏。
岩石力学复习资料 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
1.岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因是什么? ①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时由于矿物的涨缩不均而导致岩石结构的破坏②当温度减低到0℃以下时岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏 2. 岩石试件在单轴压力作用下常见的破坏形式有哪些？ ①单轴压力作用下时间的劈裂②单斜面剪切破坏③多个共轭斜面剪切破坏 3.影响单轴抗压强度的因素有哪些？ 端部效应，试件的形状和尺寸，加载速率 4. 巴西劈裂试验测得的是岩石的哪个强度指标为什么 岩石抗拉强度。根据弹性力学公式，沿竖直直径长沙几乎均匀的水平方向拉力，在试样的水平方向直径平面内，产生最大的压应力。可以看出，圆柱体试样的压应力只有拉应力的3倍，但岩石的抗压强度往往是抗拉强度的10倍，这表明岩石试样在这样条件下总是受拉破坏而不是受压破坏。因此我们可以用劈裂法来确定岩石的抗拉强度。 5. 库伦准则的适用条件。 ①库伦准则是建立在试验基础上的破坏数据②库伦准则和莫尔准则都是以剪切破坏做为其物理机理，但岩石试验证明岩石破坏存在大量的微破裂，这些微破裂是张拉破坏而不是剪切破坏③莫尔库伦准则适用于低围压的情况 6. 岩石单轴压缩状态下的应力-应变曲线一般可分为那四个阶段？ ①在OA区段内，曲线稍微向上弯曲，属于压密阶段，这期间岩石中初始的微裂隙受压闭合②在AB区段内，接近直线，近似于线弹性工作阶段③BC区段
内，曲线向下弯曲，属于非弹性阶段，主要是再平行于荷载方向开始逐渐生成新的微裂隙以及裂隙的不稳定④下降段CD为破坏阶段，C点的纵坐标就是单轴抗压强度Rｃ 7. 岩石全程应力-应变曲线的作用是什么？ 岩爆的预测，蠕变的预测，疲劳破坏 8. 蠕变分为哪几个阶段？ 初始蠕变段，等速蠕变段，加速蠕变段 9. 为何岩石的蠕变曲线很难测得？ 10. 在一定法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生的切向变形形式有哪两种？ ①对非充填粗糙结构面，随剪切变形的发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象 ②对于平坦的结构面，初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值。 11. 影响结构面力学性质的因素。 ①尺寸效应②前期变形历史③后期填充性质 12. 影响结构面剪切强度的因素。 ①法向应力②粗糙度③结构面抗压强度 13. 岩体强度的决定因素。 节理，裂隙，岩块和结构面强度 14. 结构面方位对岩体强度的影响。P65 在某些应力条件下，破坏不沿结构面发生，只有当结构面的倾角A满足内摩擦角 第25卷第9期岩石力学与工程学报V ol.25 No.9 2006年9月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006 岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究 张永彬1，2，唐春安2，3，梁正召3，徐涛2，李连崇1 (1. 东北大学岩石破裂与失稳研究中心，辽宁沈阳 110004；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622； 3. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024) 摘要：岩石工程灾害与岩石破裂过程失稳密切相关。大型岩石工程破裂过程数值分析需要高效、准确、强大的计算能力支持。一般传统串行计算方法难以满足要求，大规模并行计算是解决这一难题的有效途径。岩石破裂过程分析系统是研究岩石破裂过程的一个重要数值分析工具。在岩石破裂过程分析系统串行单机版的基础上，结合现代有限元方法和数值计算方法，在消息传递并行环境下，利用区域分解和主从编程模式，采用分布存储稀疏线性迭代并行求解方法，在Linux机群上实现应力分析模块中有限元计算的并行处理。通过Windows和Linux协调处理策略，有效地把原有的前后处理功能和机群系统强大的计算能力结合起来，建立岩石破裂过程分析RFPA3D-Parallel并行分析系统。算例结果表明，并行程序具有很高的加速比和并行效率，能够快速完成三维条件下300万单元的大规模岩石破裂过程分析。应用RFPA3D-Parallel并行分析系统模拟地壳介质中广泛存在的龟裂现象，再现非均匀介质破坏和裂纹演化过程，从而显示该系统广泛的应用前景。 关键词：岩石力学；岩石破裂过程；大规模；并行计算；区域分解；消息传递界面 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1795–07 RESEARCH ON PARALLEL COMPUTATIONAL METHOD OF ROCK FAILURE PROCESS ANALYSIS SYSTEM ZHANG Yongbin1，2，TANG Chun′an2，3，LIANG Zhengzhao3，XU Tao2，LI Lianchong1 (1. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China； 2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China； 3. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China) Abstract：Rock engineering hazards are closely related to unstable failure of rocks. Numerical analysis of rock failure process of large-scale rock engineering needs effective，accurate and powerful computation，while traditional serial computation becomes incapable to solve these large-scale rock failure problems；and it is necessary to employ large-scale parallel computation technology. Rock failure process analysis(RFPA) code is one of the important numerical tools that can be used to investigate rock failure process. Based on the serial code of RFPA3D，a parallel computation model of rock failure process analysis is proplsed. We complete parallel stress analysis module of RFPA3D using finite element method on a cluster and integrate it with pre-processing and post-processing of RFPA3D installed on windows pc. The parallel program is performed using a distributed memory sparse linear iterative solver with preconditioning based on MPI(message passing interface). The linear 收稿日期：2005–07–05；修回日期：2005–09–27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374020，50490274，50504003，5047017)；中国教育科研网格计划项目(ChinaGrid) 作者简介：张永彬(1979–)，男，2002年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学数值计算方面的研究工作。E-mail：zybneu@https://www.doczj.com/doc/3d11093903.html, 岩石的变形特性 岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之二) 一、内容提要：本讲主要讲述岩石的变形特性、强度理论 二、重点、难点：岩石的应力-应变曲线分析及岩石的各种强度理论。 三、讲解内容： 四、岩石的变形特性 与岩石的强度特性一样，岩石的变形特性也是岩石的重要力学特性。只有对岩石的变形特性的变化规律有了足够的了解，才能应用某些数学表达式描述岩石的变形特性，进而运用这些表达式计算岩石在外荷载作用下所产生的变形特性，并评价其稳定性。在实际的工程中，经常遇到岩石在单轴和三轴压缩状态下的变形问题。 (一)岩石在单向压缩应力作用下的变形特性 1. 岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性 岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。以下先介绍具有代表性的典型的应力-应变曲线。 1)典型的岩石应力-应变曲线分析 图15-1-17例示了典型的应力-应变曲线。根据应力-应变曲线的变化，可将其分成OA，AB，BC 三个阶段。三个阶段各自显示了不同的变形特性。 (1)OA阶段，通常被称为压密阶段。其特征是应力-应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少。形成这一特性的主要原因是存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。 (2)AB阶段，也就是弹性阶段。从图15-1-17可知，这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。若在这一阶段卸荷的话，其应变可以恢复，由此可称为弹性阶段。这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。即弹性模量E和泊松比。所谓弹性模量，是指应力—应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量E和割线模量E50，E50是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值，其实质代表了岩石的变形模量。所谓泊 松比，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变比之值。这是描述岩石侧向变形特性 的一个参数。最近几年来，经过大量的试验发现，在AB阶段，由于岩石受荷后不断地出现裂纹扩展，将产生一些不可逆的变形。因此从某种意义上来说，它并不属于真正的弹性特性，只能是 万方数据 万方数据 第２５卷第５期梁正榴等．岩石三维破裂过程的数值模拟研究?９３３? 的材料力学。 ＲＦＰＡ３Ｄ中采用简单的弹性损伤本构模型，在达 到破坏准则之前，单元保持线弹性的力学性质。本 文的研究采掰带有拉伸截断的Ｍｏｌａｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏 准则。娄单元静最小主应力超过其单轴拉｛率强度时 单元发生拉伸破坏，其产生的拉伸损伤演化方程如 下： Ｄ＝ ０（ｅ＞ｅｍ）１＿鲁蛾。≤一ｍ）１＠≤￡哦） 式中：嚷为单元的残余强度，气为单元拉伸损伤的最小主应变门槛值，￡ｌｕ为单元分离最小主应变门槛值。拉伸损伤本构关系曲线如图１所示。 阌ｌ拉伸损伤本构关系曲线 Ｆｉｇ．１Ｅｌａｓｔｉｃｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｌａｗｆｏｒｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ 如果单元应力达到了剪切破坏的Ｍｏ羲托ｏｕ奴ｎｂ准则，单元产生剪切损伤。剪切损伤本构关系曲线如图２所示。 圈２剪切损伤本掏关系魏线 Ｆｉｇ。２Ｅｌａｓｔｉｃｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｌａｗｆｏｒｅｌｅｍｅｎｔｉｎｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ 莠切损伤演纯方程如下：式中：爨为细观单元单轴抗压强度：ｅｒ＝为单元的残余强度，且有瓯＝徽瓦，职为残余强度系数。 需要注意的楚，在损伤演化过程中，单元抵抗载荷的能力是逐濒降低鲍，在达到破坏准则之嚣仍然保持一定的残余强度。尽管上面只是单轴压缩和拉伸下的应变损伤，但是已经考虑到三维应力下其他２个主应力对最大主应变或最小主应变的影响。拉伸破坏下可采掰下面的等效应变办法进行处理： 其中， （８） 《‘）＝｛乞置萋０；三：：三寻ｐ，３ＲＦＰＡ３Ｄ的实现 ＲＦＰＡ∞主要包括３个部分：前处理、数据计算秘计算结果酶后处理。莆处理采用Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下的ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋开发。利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋强大的系统控制能力可以开发出友好方便的用户界面，采用ＳＧＬ公词跨平台图形库模块ＯｐｅｎＧＬ来实现软件模拟结果的图形图像的显示。有限元计算部分采用Ｆｏｒｔｒａｎ９０开发，ＲＦＰＡ∞的计算可以采用Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上的单枫舨，也可以采焉Ｌｉｎｕｘ平螽上的并幸亍计算。目前在单桃上已经可以计算２０万单元的规模，在３２节点的联想深腾１８００上已经可以突破３００万单元的计算。 ４岩石破裂过程的数僮模拟 本文采用ＲＦＰＡ３Ｄ分别模拟了同种岩石材料鲍单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂这３种基本试验。岩石材料的均质度为２，弹性模量的期望值为２００００ＭＰａ，细观单元单轴匿缩峰值强度的期望值为１００ＭＰａ。 ４．１单轴压缩试验 单轴压缩试验是最简单也是最重要的岩石力学试验。试件尺寸为８０ｍｍｘ４０ｍｍｘ４０ｍｍ，划分的网格为８０ｘ４０ｘ４０，共１２８０００个单元。数值试验中采用位移加载，每步位移增量为０．∞２ｍｍ。图３为 踟 彩 ＜ ≥ ◇溉 ◇旦Ｍ 一 ， 硅、 ＝ Ｄ 万方数据 1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？ 答：地壳是变动的。 自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。 2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。 答：未受影响的应力称为初始应力 工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力 地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。 3. 何谓海姆假说和金尼克假说？ 答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σ?=σv=γH 金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。他根据弹性力学理论，认 为这个系数等于μ 1?μ，即σv=γH，σ?=μ 1?μ γH 4. 地应力是如何形成的？ 答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。 5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。 关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。 土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。 6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。 答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。 重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。 构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。构造应力主要表现为以水平应力为主，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。” 7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？ 答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。 8. 简述地应力场的分布规律 答：1）地应力场的特性 （1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场 （2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 2）垂直应力的分布规律 在深度为25~~2700m的范围内，σv呈线性增长，大致相当于按平均容量γγ等于273kN?m?3?计算出来的重力γH。 3）水平应力的分布规律 Industrial Construction Vol.41，No.6，2011 工业建筑 2011年第41卷第6期115 裂隙岩体渗流应力耦合机制研究 张国玉 1 田晶莹 1 孙玉杰 2 王海超 2 （1.日照职业技术学院，山东日照 276826；2．山东科技大学土木与建筑学院，山东青岛266000） 摘要：隧洞开挖前，岩体中的地下水与围岩应力处于一种相对平衡状态，由于隧洞的开挖，一方面使地 下水排泄有了新的通道， 加速了水循环，破坏了原有的补给—运移—排泄系统的平衡；另一方面，造成围岩应力重分布， 部分结构面由于增压而闭合，部分岩体卸荷松弛或产生剪切滑移，人为破坏了原有的地下水渗流条件，使得隧洞自身成为地下水向外排泄的地下廊道，导致突水灾害。采用Monte-Carlo 方法建立二维离散裂隙网络， 并将其导入UDEC 软件中的岩体结构离散裂隙网络介质模型（DFN ），依据此模型，采用离散单元法对裂隙岩体渗流特性、 裂隙岩体洞室开挖力学特性以及裂隙岩体渗流应力耦合机制进行研究。结合具体实例，对不考虑水力耦合和考虑水力耦合情况下在裂隙岩体中开挖洞室的洞周围岩的力学特性做了对比。 关键词：裂隙岩体；渗流场；应力场；耦合 RESEARCH ON TRANSFUSION STRESS COUPLING MECHANISM OF CREVASSE ROCK MASS Zhang Guoyu 1 Tian Jingying 1 Sun Yujie 2 Wang Haichao 2 （1.School of Rizhao Polytechnic ，Rizhao 276826，China ； 2.College of Civil Engineering and Architecture ，Shandong University of Science and Technoloqy ，Qingdao 266000，China ） Abstract ：Before a tunnel excavation ，the groundwater in the rock and the surrounding rock stress are in a state of relative balance ，because the excavation makes tunnel groundwater drain has a new channel ，thus accelerating the water cycle ，which destroyed balance of the original supplies-migration-the drainage system ；On the other hand ，the surrounding rock stress was redistributed and part of structural surface was closed due to pressurization ，part of unloading rock mass produced shear slippage ，which vandalized the original groundwater seepage condition ，thus making tunnel itself become an underground corridor to discharge water in different forms ，resulting in bursting water disasters．Monte Carlo method was used to establish 2-d discrete-fracture network ，which was input rock mass structure discrete fissure network medium model （DFN ），according to the model of the discrete element method in fractured rock mass seepage characteristics ，fracture rock cavern excavation mechanical characteristics and seepage stress coupling mechanism of fractured rock mass．Combined with concrete examples ，a comparison was done for cases of excavating caverns in fractured rocks with and without consideration of hydraulic coupling．Keywords ：the crevasse rock mass ；seepage field ；stress field ；coupling 第一作者：张国玉，男，1979年出生，硕士。 E －mail ：90993979@qq．com 收稿日期：2011－01－08 1渗流场与应力场的耦合作用 在裂隙岩体渗流应力耦合分析中，最基本的是 建立单裂隙渗流与应力的关系。下面将以单裂隙渗流应力耦合中应力场对渗流场的作用以及渗流场对应力场的作用为重点内容展开论述。1.1 应力场对渗流场的作用 从应力场改变地下水渗流场的影响作用机制来看， 应力场主要改变的是裂隙结构面的隙宽。由立方定律可知，裂隙面的渗流量与隙宽的三次方呈正比，隙宽的微小改变将引起渗流量的重大变化。隙宽的大小受作用在裂隙面上的应力所控制，因此在探讨裂隙渗流特性时，必须考虑应力作用的影响。 以前考虑较多的是正应力对渗透性的影响，一般通过试验总结出岩体渗透性与应力之间的经验公式。孔隙水压力变化会引起有效应力的变化，明显地改变裂隙张开度、流速和水压力在裂隙中的分布，裂隙渗流量随裂隙正应力增加而降低很快， 进一步研究发现应力－渗透曲线有回滞现象。随着卸载次数的增加，裂隙渗透性能降低，经过几次加卸载循环后，岩体的应力－渗透性曲线基本稳定。据此有关学者岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究_张永彬
岩石应力应变的各个阶段
岩石三维破裂过程的数值模拟研究
《岩石力学》 地应力及其测量
裂隙岩体渗流应力耦合机制研究
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