循环荷载作用下岩石动态力学响应特征及损伤破裂机理

本书以频繁受外部动态荷载扰动的岩体工程为研究背景，以花岗岩 （致密结晶岩） 和泥质石英粉砂岩 （多孔弱胶结岩）两种典型岩石为研究对象，综合考虑循环上限荷载 和循环次数影响，

针对两类岩石损伤破裂过程，宏观层面上研究了岩石力学特性、能量 演化特征和损伤劣化过程，细观层面上则进一步分析了岩石的声发射演化特征和断口细 观形貌特征，从室内试验的角度，

较为系统地研究了不同循环荷载条件下花岗岩和泥质 石英粉砂岩的宏观力学特性和细观破裂演化特征。在上述研究基础上，进行了基于循环 荷载参数定量结果的CWFS本构模型优化研究，应

用数值模拟软件FLAC 3D分析了北 山某地下硐室花岗岩的岩爆倾向性，应用ABAQUS 探讨了玉磨铁路软岩隧道开挖过程 中的大变形问题并探究不同因素对隧道开挖稳定性的影响。希望本书

能够为岩体工程领域的专家、学者以及从业人员提供有价值的参 考和帮助。

目录

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩石卸载力学行为与破坏机理研究

1.2.2 循环荷载作用下岩石宏观力学特性研究

1.2.3 岩石细观损伤演化特征研究

1.2.4 循环荷载作用下岩石本构模型研究

1.3 研究内容

2 不同加卸载路径下泥质石英粉砂岩力学特性研究

2.1 泥质石英粉砂岩物理力学特性

2.1.1 试件制备及试验仪器

2.1.2 泥质石英粉砂岩物理属性

2.1.3 泥质石英粉砂岩单轴压缩力学特性

2.2 泥质石英粉砂岩三轴加载破坏变形特性研究

2.2.1 试验路径

2.2.2 粉砂岩三轴加载应力应变关系

2.2.3 粉砂岩三轴加载力学参数分析

2.3 泥质石英粉砂岩循环卸围压破坏力学特性分析

2.3.1 粉砂岩卸围压条件下应力应变关系

2.3.2 粉砂岩卸围压力学参数分析

2.4 泥质石英粉砂岩三轴加载与循环卸载破坏力学行为对比

2.4.1 粉砂岩加卸载破坏变形特性对比分析

2.4.2 粉砂岩加卸载破坏强度特性对比分析

2.4.3 粉砂岩加卸载破坏特征对比分析

2.5 循环卸围压路径对泥质石英粉砂岩破坏力学特性的影响

2.5.1 应力-应变曲线对比分析

2.5.2 卸围压路径对粉砂岩破坏强度的影响

2.5.3 卸围压路径对粉砂岩变形特性的影响

2.5.4 耗散能量分析

2.6 本章小结

3 三轴加卸载作用下花岗岩力学特性研究

3.1 花岗岩三轴加载破坏变形特性分析

3.1.1 单轴压缩试验

3.1.2 三轴加载破坏变形特性

3.1.3 花岗岩能量转化过程的研究

3.2 卸围压条件下花岗岩变形破坏特性分析

3.2.1 试验内容

3.2.2 围压和卸载速率对花岗岩强度的影响研究

3.2.3 围压和卸载速率对花岗岩变形特征的影响研究

3.2.4 花岗岩加卸载破坏变形特性对比分析

3.3 三轴加卸载路径下粉砂岩与花岗岩力学特性对比分析

3.3.1 加载路径下岩石力学特性对比

3.3.2 卸围压路径下岩石力学特性对比

3.4 花岗岩三轴循环加卸载力学特性分析

3.4.1 循环加卸载试验方案与试验结果

3.4.2 弹性模量和泊松比的演化过程研究

3.4.3 裂隙损伤应力演化过程研究

3.4.4 岩石扩容特性研究

3.5 花岗岩三轴循环加卸载能量耗散与损伤特征研究

3.5.1 能量耗散特征

3.5.2 能比演化特征

3.5.3 破碎耗能与摩擦耗能计算方法

3.5.4 破碎耗能比与摩擦耗能比演化特征

3.5.5 基于破碎耗能的损伤特征研究

3.6 本章小结

4 不同应力区间循环荷载对泥质石英粉砂岩力学特性的影响

4.1 基于阶梯循环荷载下岩石能量的特征应力确定方法

4.1.1 常用的岩石特征应力确定方法

4.1.2 基于阶梯循环荷载下岩石能量的特征应力确定方法

4.1.3 特征应力确定方法准确性验证

4.2 不同循环上限荷载下泥质石英粉砂岩变形演化规律

4.2.1 试验方案

4.2.2 轴向和横向残余应变演化规律

4.2.3 单调加载应变比和疲劳极限应变比变化特征

4.2.4 滞回环发展规律

4.3 不同循环上限荷载下泥质石英粉砂岩力学参数演化规律

4.3.1 强度和疲劳寿命变化特征

4.3.2 弹性模量和横向轴向应变比演化规律

4.4 不同循环上限荷载下泥质石英粉砂岩声发射演化规律

4.4.1 声发射振铃计数和声发射能量特征

4.4.2 声发射频谱特征

4.4.3 岩石疲劳破裂前兆特征

4.4.4 声发射定位三维裂隙发展

4.5 本章小结

5 等幅循环加卸载历史对泥质石英粉砂岩力学特性的影响

5.1 循环上限荷载45kN下泥质石英粉砂岩力学特性

5.1.1 试验方案

5.1.2 变形演化规律

5.1.3 循环加卸载后的岩石峰值强度和扩容点应力

5.2 循环上限荷载45kN下泥质石英粉砂岩声发射特征

5.2.1 声发射振铃计数及b值

5.2.2 声发射震源时空演化规律

5.3 近疲劳强度循环荷载下泥质石英粉砂岩力学特性

5.3.1 试验方案

5.3.2 变形演化规律

5.3.3 加载、卸载柔量演化特征

5.3.4 基于循环扩容点应力的岩石峰值强度预测公式

5.4 近疲劳强度循环荷载下泥质石英粉砂岩声发射特征

5.4.1 声发射时序参数和频谱特征

5.4.2 声发射震源分布与岩样破坏形态

5.5 本章小结

6 循环荷载对泥质石英粉砂岩的弱化与强化机制

6.1 循环荷载下岩石强度强化与弱化机制

6.1.1 泥质石英粉砂岩细观结构特征

6.1.2 循环荷载对岩石的薄弱结构断裂效应和压密嵌固效应

6.2 循环上限荷载对泥质石英粉砂岩的强度影响机制

6.3 循环次数对泥质石英粉砂岩的强度影响机制

6.3.1 上限荷载45kN下AE震源空间分形维数

6.3.2 上限荷载55kN下CT三维孔隙结构

6.4 循环荷载对粉砂岩的劣化与强化作用机制

6.5 本章小结

7 循环荷载下引入岩石应力应变动态相位差的疲劳本构模型

7.1 岩石应力应变不同步效应

7.1.1 循环荷载作用下岩石应力应变不同步现象

7.1.2 循环荷载下泥质石英粉砂岩应力应变相位差

7.1.3 岩石应力应变不同步响应机制

7.2 考虑岩石应力应变动态相位差的疲劳本构模型

7.2.1 疲劳与流变的“同源”性

7.2.2 基于分数阶导数的流变元件

7.2.3 疲劳本构模型的建立与求解

7.3 疲劳本构模型适用性验证与参数分析

7.3.1 疲劳本构模型对泥质石英粉砂岩的适用性验证

7.3.2 疲劳本构模型对北山花岗岩的适用性验证

7.4 基于理论模型的疲劳寿命预测

7.4.1 加速阶段临界损伤阈值及破坏失稳判据

7.4.2 岩石疲劳寿命预测结果

7.5 本章小结

8 岩石卸载本构模型与CWFS模型参数优化研究

8.1 基于卸围压试验的岩体卸围压本构模型研究

8.1.1 岩石卸载破坏强度准则

8.1.2 岩石卸载本构模型

8.2 花岗岩和粉砂岩三轴分级循环荷载损伤控制试验

8.2.1 试验方案

8.2.2 花岗岩与粉砂岩全应力应变曲线

8.2.3 声发射演化特征

8.2.4 基于离散元的应力记忆效应细观响应机制

8.2.5 岩石断口细观形貌特征

8.3 基于循环荷载参数定量的CWFS模型优化研究

8.3.1 CWFS弹塑性本构模型

8.3.2 CWFS模型参数优化研究

8.3.3 基于Flac3D的模型验证

8.4 本章小结

9 基于多种判据的北山花岗岩岩爆倾向性研究

9.1 基于冲击倾向性理论的岩爆倾向性分析

9.1.1 脆性指标

9.1.2 弹性能量指标

9.1.3 冲击能指标

9.1.4 RQD指标

9.2 基于应力强度理论的岩爆倾向性分析

9.2.1 Russense判据指标

9.2.2 Turchaninov判据指标

9.2.3 Barton判据指标

9.2.4 陶振宇判据指标

9.2.5 二郎山判据指标

9.3 基于灰色系统理论的岩爆倾向性研究

9.3.1 基于灰色关联度的多指标岩爆倾向性分析

9.3.2 GM(0，N)模型预测

9.3.3 基于聚类评估和关联度筛选的预测方法

9.4 三向应力下岩爆倾向性指标研究

9.4.1 不同围压下岩爆倾向性指标研究

9.4.2 加轴压卸围压条件下岩爆倾向性指标研究

9.5 基于数值模拟的预选区某硐室岩爆倾向性研究

9.5.1 数值模拟建立

9.5.2 硐轴线与最大水平主应力不同夹角情况下岩爆倾向性分析

9.5.3 不同深度情况下的岩爆倾向性分析

9.6 本章小结

10 玉磨铁路曼木树软岩隧道开挖大变形研究

10.1 曼木树隧道地应力测量

10.1.1 测点布置及现场情况

10.1.2 套孔岩芯围压率定试验

10.1.3 三维地应力实测结果及分析

10.2 曼木树隧址区地应力场三维反演分析

10.2.1 初始地应力场多元回归数值计算方法

10.2.2 三维地质模型的建立

10.2.3 地应力场反演结果计算

10.2.4 地应力反演结果分析

10.3 隧道开挖理论计算

10.3.1 大变形的定义与分级

10.3.2 软弱围岩的软化理论

10.3.3 围岩应变软化模型

10.3.4 隧道开挖后二次应力及位移状态

10.4 曼木树隧道开挖支护稳定性数值模拟分析

10.4.1 隧道开挖模型概况

10.4.2 隧道围岩位移分析

10.4.3 隧道围岩应力分析

10.4.4 初期支护安全性分析

10.5 不同因素对隧道稳定性影响分析

10.5.1 侧压力系数影响效应分析

10.5.2 埋深影响效应分析

10.5.3 开挖进尺影响效应分析

10.5.4 开挖方式影响效应分析

10.6 本章小结

参考文献