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应力波对岩石断裂的相关因素分析_陈静曦

第16卷　第2期岩石力学与工程学报V ol.16N o.21997 1997年4月Chinese J ournal o f Rock Mechanics and Engineering　16(1997),148—154

应力波对岩石断裂的相关因素分析

陈静曦

(中国科学院武汉岩土力学研究所　武汉　430071)

提要　岩石类材料具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度,对这类材料在应力波作用下断裂

的相关因素分析是目前急待开展的研究课题。为了解岩石类材料的动态断裂机理,首先就须

找出与断裂相关的因素,以及由此导致的裂纹开裂、发展、止裂条件等。通过拟对这些相关

因素进行分析,探讨这些相关因素在动力断裂中的作用。

关键词　应力波,断裂机理,断裂相关因素

1　前言

动态断裂问题是一个非常复杂的问题。即使对于静载荷来说是安全的结构物,受冲击荷载后也可能发生断裂或毁损。

岩石类材料的特点是含原生裂隙,这些原生裂隙是该类材料破坏的潜在因素。当应力波作用于它时,裂隙就会扩展、贯穿,形成网状裂纹分布带,导致岩石材料的破碎和岩体的毁损。

在岩土工程加固问题中,为防止因裂纹的相互贯穿而出现围岩、边坡等失稳破坏,须在坑道或边坡上进行喷锚支护,抑制围岩内或边坡体中的裂纹生长。在采矿工程施工中,为加快采掘速度,又利用裂纹的扩展以达到提高瓦斯抽放率的效果。

因此,岩石类材料动力断裂问题的研究,在理论上和实际工程应用中都具有较大意义,与之断裂相关因素的分析又是通向成功的必经阶段。

2　基本理论

在研究岩石动力断裂相关因素之前,需对岩石动力断裂机理及特性进行分析。动力断裂问题,本质上说是物体在外力作用下原子热运动的结果。将动力断裂问题分类为:裂纹稳定而外力随时间迅速变化——包括振动、冲击、波动等;另一类为外力恒定,而裂纹发生快速传播。本文拟对前一类问题进行分析研究。

任何一个物体,在受到冲击荷载作用时,在物体内部将出现应力的传播,我们称之为应力波。应力波与岩石中的缺陷相遇,在波阵面处若出现材料密度的变化,就会产生波的反射、透射以及折射,在裂纹尖端处还将出现衍射现象,据弹性介质中的基本方程:

ij,j+F i= u i(1) 1995年7月6日收到初稿,1995年9月15日收到修改稿。

ij = ij u kk + (U i ,j +U j ,i )

(2)T i = ij n j

(3)式中,i ,j ,k 为指标;张量符号 ij =0i ≠j 1i =j

,F ij 为外力;T i 为边界上作用力;n j 为方向导数; 、为弹性常数; 为密度,将方程(2)代入(1),经微分变换,得小动方程:

j ,kk - +2

j =0 (P 波)(4) j ,kk -

j =0 (S 波)(5)式中, 是由P 波引起的位移, 为S 波引的位移。

P 波和S 波的波速分别为:

C p =[( +2 )/ ]

1/2(6)C =( / )1/2(7)

冲击荷载施加于物体后,将同时出现以C p 和C 波速向外传播的P 波和S 波。当应力波传至裂波处时,引起应力场的变化。特别是在裂纹尖端处,应力畸变,应力场出现骤增。我们将裂纹尖端很近外应力表述为:

ij =K R (t )2

f Rij ( ) (R =Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)(8)式中,f R ij ( )为已知函数; 、为以裂纹端部为原点的极坐标系数坐标;K R (t )是随物体和裂纹的几何形状及入射的应力波波形而变化的应力以强度系;R 为变形形式的脚标;Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型断裂裂纹;i 、j 为坐标轴线的脚标。

为简单起见,我们讨论R =Ⅰ型的情况,我们将式(8)中的应力强度系数记为

K Ⅰ(a ,t )= o f (C t / )(9)

式中 o 为外载荷应力幅值; 为裂纹长度。特别对任意应力加载函数 (t ),则式(9)变为:

K Ⅰ( ,t c )= ∫

t 0 ′(x )f [C (t -x )/ ]dx (10)对常应变率加载,令 ′(x )= ′o 及t c 时刻施加的应力水平达到断裂应力水平 c ,有 c = ′o t c 。将它们代入方程(10)中,则t c 时刻有关系式K Ⅰ( ,t c )= o ∫ o / ′00f (C / )dx (11)

由此决定了断袭应力与应变率的关系。

3　模型动态断袭实验及分析

理论上我们已论证了加载速率对岩石断裂的影响,为探明这种影响的强弱和方式,我们进行了一系列实验。经研究分析,考虑并认识到大部分岩石都是脆性材料,它们的破裂都是由局部的应力集中所致。为使裂纹定向发展,通常都采用下面两种方法:一是在载荷作用前加强作用点(或面)上的应力集中,例如开槽等;另一种是在载荷作用瞬时在作用点(或面)处形成应力集中,例如聚能炸药等。但是,已经观察到的现象表明,当施加的荷载压力足够高时,裂纹也会在作用点附近的其它部位出现,而当载荷压力太低时,甚至在应?

149?第16卷　第2期陈静曦:应力波对岩石断裂的相关因素分析

力集中点处不会发生断裂。

为找出影响岩石动力断袭的关键点,我们制作了大量立体和平面的模型。模型采用与岩石特性相类似的石膏做材料(节省经费),其配比为水:石膏=80:100,立体模型尺寸为20×20×25cm ,且中心留有一深为15cm ,孔径为 15mm 的装药孔;平面模型的尺寸为15×20cm ,厚为2cm 的薄板,板中间预制了一长为5cm 的狭缝,见图1

所示。

(a )　立体模型 (b )　平面模型

图1　石膏模型示意图

Fig .1　D iag ram of the p laster models

模型经长时间干燥后,石膏块的抗压强度平均压强度平均为5.8MP a ,抗拉强度平均为

1.5mMP a ,弹性模量E =7900M Pa ,泊松比约为0.13。

为了解不同加载应力脉冲对断裂所产生的作用,在立体模型实验中,我们采用了两种

耦合情况的爆炸试验方案。

图2　空气耦合条件下爆炸应力波幅值变化曲线

Fig .2　Exp los iv e w ave cur ve in air coincidence 一种为空气(空腔)耦合,将药柱直接装入装药孔中,药柱尺寸比药孔尺寸略小一些,?150? 岩石力学与工程学报1997年

且洞壁四周无任何充填物,将压力传感器也置于孔内,封填住孔口。当炸药爆炸后,将产生强烈的冲击波趋直接作用在洞壁上,洞壁受到应力波的直接作用,从埋设在孔内压力传感器所测到的压力波形图看,应力波在孔中所形成的压力峰值上升时间很短,且当压应力达到峰值 max 后,压应力波幅值又迅速衰减。图2为空气耦合条件下孔内压力幅值随时间的变化曲线。

另一种为水耦合,将水注入装药孔中,且在孔洞壁上罩有一层防水薄膜,以阻止水对石膏模型的渗透。再将涂了防水胶的药柱插入水中。当炸药被引爆后,强烈的冲击波通过水介质传递给洞壁,作用的石膏模型上。由压力传感器测到的水中应力幅值变化(见图3)可知,当孔洞内度充填有水介质时,爆炸应力峰值上升的时间比较缓慢,且峰值持续一段时间后才发生缓慢衰减。

从图2、图3、所表示出的不同情况耦合条件下应力波幅值的变化来看,比较明显的差别有以下3点

图3　水耦合条件下爆炸应力波幅值变化曲线

Fig .3　Exp losiv e w av e curv e in water coincidence

(1)空气耦合条件下应力峰值比水耦合条件下要大;

(2)空气耦合条件下应力峰值上升时间比水耦合条件下要短;

(3)空气耦合条件下应力峰值的持续时间比水耦合条件下短,且基本上属于一脉冲信号。

正是由于上述差异,导致不同的爆炸结果:

(1)在空气耦合情况下,模型沿径向产生的袭纹比较多,且洞壁已完全破碎,在洞壁周边附近出现策袭区,有些径向裂纹出现分叉状,模型底部出现一锥状脱落体。

实验结果表明,由于应力脉冲值的迅速变化,使应力幅值在较短时间内超过材料本身屈服点,导致环向拉应力引起的微袭纹在洞壁出现。

应变率的变化受着压力峰值上升时间的控制,压力峰值上升时间短,则就大,引起洞壁破碎;随着应力幅值的衰减,材料中的卸载波在洞壁周围形成残余应力场,它妨碍了裂纹的进一步扩展,而反射的应力波与裂纹间的相互作用,引起裂纹前沿出现分叉,爆炸能量得到释放。

?151?第16卷　第2期陈静曦:应力波对岩石断裂的相关因素分析

(2)在水耦合情况下,模型沿径向产生的袭纹比较少,在本批实验中,一般仅3条,且整个洞壁面无破损,也未见裂区。在模型底部也形成一锥状脱落体。

由于水耦合的影响,使作用于洞壁的应力峰值较平缓,幅值的上升时间变长。洞壁面上受环向拉应力较长时间的作用,在它的薄弱面处乎先产生几条裂纹,随应力作用时间的延长,爆炸的能量都逐步提供给应力集中点一裂纹尖端,导致单个裂纺的迅速扩展,减少和降低了洞壁面上的冲击力,故而洞壁面完整。

我们所讨论的情况都有个前提条件,即必须将药量控制在一定范围内,否则模型将被炸碎无法分析,或者无任何反映。当然,这不是我们要讨论的范畴。

在实际工程应用中,岩体介质通常都处于一定压力下的地应力场中。为模拟地压应力场对材料断裂的影响,我们给模型四周施加外载荷,选取 1=3 2,使型外围加了一个椭圆状应力场,然后入同型号药柱引爆,测得孔内压力与外应力场间的关系(图4年示),从图4中可以看出,

孔内压力值与外应力场的大小近似呈线性关系。

图4　孔内压力峰值与外应力场关系曲线

F ig.4　T he str ess r ange in ho le r ela ted w it h t he sfr ess ar o und the model

由于围压的作用,爆炸后所形成的裂纹,除有少量短袭纹(次裂纹)不定向取向外,多数较长裂纹(主裂纹)与应力场 1方向一致,且裂纹开裂所需析值是随围压的增减而改变的。

外应力场对岩石材料裂纹展的影响还表现在下述方面。当爆炸荷载作用后,膨胀波向外传播,随着与原地压反向的应力波的径向外延,将会在地压应力低的方向先出现拉应力区、拉应力增长至岩石材料的抗拉极限时,促使裂纹进一步扩展,致使裂纹沿地压高的方向发展。

对于平面问题,我们进行了矩形石膏板的单向冲击荷载试验。

我们知道,在一般情况下袭纹的传播速度要低于应力波的传播速度,应力波的传播速度约为岩石裂纹扩展速度的3—5倍。因此,对延续时间很短的应力脉冲,会出现脉冲已通过裂纹,但袭纹扩展速还未开始,而材料所受应力已消失的状态。通常,对一个持续时间很短的应力脉冲在一任意短的时间,试验模型仅有一小部分受应力作用,其破坏仅在一个区域内产生,而与其它部分可能发生的变化无关。特别是对不同界面处产生的应力波反射,?152? 岩石力学与工程学报1997年

这些反射波将会相互干涉,所产生的应力分布非常复杂。当某一小于使材料开裂的应力峰值过后仍将引发材料的开裂,即使入射波的初始幅值较小,但经若干次反射波的叠加,就可能足以产生使裂纹发生扩展的应力条件。

上述分析可在下述实验中得到证实。

实验用含单一裂纹的矩形石膏板做试件,在板的两端施加一平冲击波,利用铅笔芯做传感器,分别粘合在预制裂纹的两端处,监测裂纹的开裂时间,并利用测力筒来测量冲击应力。将应力幅值的变化和裂纹的时间记录下来(见图5示)

。

图5　含裂纹矩形板受外力变化及裂纹开裂时间监测图

Fig.5　D iag ram o f the outer for ce and the cra cd-spread tim e in a crack plane

图5中,A 、B 为所监测裂纹尖端处的开裂信号。实验表明,在t 时刻所测到的应力波形图和所对应的各裂纹起裂时间并不是应力峰值的单值关系,裂纹开裂时间是在应力峰值过后的某一时间,并不在应力峰值处。据方程(11),不难解释这一现象,它正好反映了应变率及时间效应,从而进一步证明了动态断裂的独特性质。

4　结论

由理论分析和实验结果,得出以下结论:

(1)岩石动力断裂相关因素为:应变率、应力幅值及其上升时间、应力幅值持续时间、以及地压应力场的取向等。

(2)裂纹扩展的长短与应力峰值上升时间相关。当加载应力峰值上升较块时,易产生移条短裂纹,反映在实验中出现的洞壁破碎等现象。反之,则产生少且较长尺寸的袭纹,并且洞壁完整。

?153?第16卷　第2期陈静曦:应力波对岩石断裂的相关因素分析

(3)裂纹的生长方向与外加应力场所呈现的大小,方向有关,且朝应力场中应力较高的方向发展。

参考文献

1　Cuderman J F .A mutiple fr acturing technipue for enhanced gas r eco ver y .I n :Pr oceeding s of the 1981

I nternational Gas Resear ch Con f er ence ,L os A ng eles ,Calif or nia .1981

2　陈静曦,王武林.带裂纹矩形板在动载下破裂的试验研究.岩土力学,1989,10(1):21～26

ANALYSIS OF CORRELATION FACTORS BETWEEN STRESS

WAVE AND ROCK FRACTURE

Chen Jing x i (I nslitute of Rock and Soil M echanics ,A cad emia Sinica ,W uhan 430071)

Abstract Rock M aterial has higher com pressive str ength and low er tension streng th.Theanaly sis of correlation factor s betw een stress wav e and rock fracture is very important .The basic factors of rock dynam ic fracture and cr ack dev elo ping ar e fo und .T he basicfac-to rs of the rock fractur e is discussed also.

Key words stress w ave,fractur e mechanism,basic factors o f fracture

今年33次国际学术会议分别在重庆、广州和武汉始开

今年4月1～4日在重庆召开岩石力学与环境岩土工程国际学术会议,会议主席为孙钧教授。

今年8月4～7日广州召开长6届与应用工程及科学中的计算方法国际学术会议,会议主席为韩大健教授。

今年11月2～7日在武汉召开第9届岩土力学计算机方法和进展国际会议,会议主席为袁建新教授。

(王可钧供稿)?154? 岩石力学与工程学报1997年

06 热应力作用下的岩石破裂过程分析

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.wendangku.net/doc/6a8297641.html,

土木工程试验与量测技术B复习问答题集锦(含答案)

土木工程试验与量测技术B复习问答题集锦(含答案) 第一章绪论 1.学习该课程的目的和意义：答：①重要手段——测试技术是从根本上保证岩土工程设计的精确性、代表性以及经济合理性的重要手段。 ②必备技术——室内试验、原位测试可提供基本设计数据，现场检测及监测可有效控制现场施工质量，确保施工安全和保护周边环境，为今后类似工程提供经验数据。 ③基本知识——岩土工程测试、检测与监测是从事岩土工程工作的人员所必需的基本知识，是从事理论研究的基本手段。 2.研究对象及其特点答：研究对象是岩土体——古老而普通的建筑材料，可作为各类建筑物的天然地基和周边介质。结构物的确定主要取决于岩土体的具体工程性质。特点：力学性质复杂多变，具有很强的不确定性和变异性。第二章：测试技术基础知识 1．什么是测试？什么是测试系统？测试系统有哪些测试环节？答：测试是以确定量值为目的的一系列操作，也就是将被测试值与同种性质的标准量进行比较，确定被测试值对标准量的倍数。测试系统是传感器与测试仪表、变换装置等的有机组合。测试系统包括了数据传输环节、数据处理环节、数据显示环节。如图示：被测对象→传感器→数据传输环节→数据处理环节→数据显示环节

2．传感器的定义、组成及各组成部分的作用。答：传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。由敏感元件、转换元件、测试电路三部分组成。 ①敏感元件能直接感受（或响应）被测量，即将被测量通过敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其他量；②转换元件则将上述非电量转换成电参量；③测量电路作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。 3．什么是传感器的静态特性、动态特性？答：静态特性和动态特性可用来表征一个传感器性能的优劣。静态特性是指当被测量的各个值处于稳定状态（静态测量下）时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。动态特性是指被测量随时间变化时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。 4．传感器的静态特性参数有哪些？具体作用？答：主要有灵敏度、线性度（直线度）、回程误差（迟滞性）。 ①灵敏度是稳态时传感器输出量y和输入量x之比，或输出量y 的增量和输入量x的增量之比；②线性度，是评价非线性程度的参数，传感器的输出-输入校准曲线与理论拟合曲线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比；③回程误差，输入逐渐增加到某一值与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等，叫迟滞现象，回程误差表示这

2.1岩石破坏准则1

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，该理论是朗肯(W.J.M.Rankine)于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 。根据土的极限平衡理论，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

第三章2岩石的破坏准则

,. 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）

岩石应力应变的各个阶段

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

岩石的破坏准则汇总

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）

岩石应力-变形模量、弹性模量

1依据 1《水利水电工程岩石试验规程》SL264-2001； 2《工程岩体试验方法标准》GB/T50266-2013； 3《水利水电工程岩石试验规程(补充部分)》DL/T5368-2007。 2目的及范围 2.1目的编制本作业指导书是为了规范、准确的完成对岩石单轴压缩变形试验的弹性模量和变形模量的测定。 2.2范围本作业指导书可分为电阻应变片法和千分表法，适用于能制成规则试件的各类岩石。坚硬和较坚硬的岩石宜采用电阻应变片法,较软岩宜采用千分表法对于变形较大的软岩和极软岩可采用百分表测量变形。 3仪器设备 1钻石机、锯石机、磨石机； 2测量平台； 3烘箱和饱和设备； 4万用电表、兆欧表； 5静态电阻应变仪； 6千(百)分表； 7测量表架； 8材料试验机。 4实验步骤 4.1试件制备 4.1.1试件可用岩心或岩块加工制成，试件在采取、运输和制备过程中应避免扰动 4.1.2试件尺寸应符合下列规定： 1圆柱体直径或方柱体边长宜为48~54mm 2含大颗粒岩石的试件直径或边长应大于最大颗粒尺寸的10倍。 3试件高度与直径或边长之比宜为2.0~2.5。 4.1.3试件加工精度应符合下列规定: 1试件高度直径或边长的允许偏差为±0.3mm 2试件两端面的不平整度允许偏差为±0.05m 3端面应垂直于试件轴线允许偏差为±0.25°。 4方柱体或立方体试件相邻两而应互相垂直允许偏差为±025°。 4.1.3试件含水状态可根据需要选择天然状态、烘干状态或饱和状态并应符合下列规定： 1天然状态应在试样拆除密封后立即制备试件并测定其天然含水率 2烘干状态对于不含矿物结晶水的岩石应在105-110℃的恒温下烘24h。对于含有矿物结晶水的岩石应降低烘干温度,可在40±5℃恒温下烘24h。将试件从烘箱中取出放入干燥器内冷却至室温称试件质量。重复以上步骤直到相邻两

Z1东大岩石破裂自然奖项目公示培训资料

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。

岩石力学(沈明荣)考试重点

一章： 1.叙述岩体力学的定义.：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科，是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，做出响应的一门力学分支。 2.何谓岩石？何谓岩体？岩石与岩体有何不同之处？（1）岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。（2）岩体：一定工程范围内的自然地质体。（3）不同之处：岩体是由岩石块和各种各样的结构面的综合体。 3.何谓岩体结构？岩体结构的两大要素是什么？（1）岩体结构是指结构面的发育程度及其组合关系；或者是指结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。（2）结构体和结构面。 4. 岩体结构的六大类型？块状、镶嵌、层状、碎裂、层状碎裂、松散结构。 5.岩体有哪些特征？（1）不连续；受结构面控制，岩块可看作连续。（2）各向异性；结构面有一定的排列趋势，不同方向力学性质不同。（3）不均匀性；岩体中的结构面方向、分布、密度及被结构面切割成的岩块的大小、形状和镶嵌情况等在各部位不同，各部位的力学性质不同。（4）赋存地质因子特性（水、气、热、初应力）都会对岩体有一定作用。二章：岩石物理力学性质有哪些？岩石的质量指标，水理性质指标，描述岩石风化能力指标，完整岩石的单轴抗压强度，抗拉强度，剪切强度，三向压缩强度和各种受力状态相对应的变形特性。影响岩石强度特性的主要因素有哪些？对单轴抗压强度的影响因素有承压板、岩石试件尺寸及形状（形状、尺寸、高径比），加载速率、环境（含水率、温度）。对三相压缩强度的影响因素：侧向压力、试件尺寸与加载速率、加载路径、空隙压力。什么是岩石的应力应变全过程曲线？所谓应力应变全过程曲线是指在刚性实验机上进行实验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力应变曲线。 2.4简述岩石刚性实验机的工作原理？：压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。AA′O2O1面积—峰点后，岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积——峰点后，刚体机释放的能量（贮存的能量）。ABO2O1——峰点后，普通机释放的能量(贮存的能量)。当实验机的刚度大于岩石的刚度，才有可能记录下岩石峰值应力后的应力应变曲线。莫尔强度理论，格尔菲斯强度理论和E.hoek和E.T.brown提出的经验理论的优缺点？：莫尔强度理论优点是使用方便，物理意义明确；缺点是1不能从岩石破坏机理上解释其破坏特征2忽略了中间主应力对岩石强度的影响；格尔菲斯强度理论优点是明确阐明了脆性材料破裂的原因、破裂所需能量及破裂扩展方向；缺点是仅考虑岩石开裂并非宏观上破坏的缘故。E.hoek和E.T.brown提出的经验理论与莫尔强度理论很相似其优点是能够用曲线来表示岩石的强度，但是缺点是表达式稍显复杂。典型的岩石蠕变曲线有哪些特征？典型的岩石蠕变曲线分三个阶段第Ⅰ阶段：称为初始蠕变段或者叫瞬态蠕变阶段。在此阶段的应变一时间曲线向下弯曲；应变与时间大致呈对数关系，即ε∝㏒t。第Ⅱ阶段：称为等速蠕变段或稳定蠕变段。在此阶段内变形缓慢，应变与时间近于线性关系。第Ⅲ阶段：称为加速蠕变段非

2016年公路水运试验检测人员继续教育-桩基检测应力波理论试卷

第1题应力波在杆身存在波阻抗增大、杆端处于自由情况下，在杆头实测杆身波阻抗增大位置的多次反射波是 A.反向 B.奇数次反射反向，偶数次反射同向 C.同向 D.奇数次反射同向，偶数次反射反向答案：B 第2题应力波在杆身存在波阻抗增大、杆端处于自由情况下，在杆头实测杆身波阻抗增大位置的多次反射波幅值比一次入射波幅值 A.相同 B.大 C.小 D.不确定答案：C 第3题应力波在杆身存在波阻抗增大、杆端处于自由情况下，在杆头实测杆身波阻抗增大位置的一次反射波幅值比入射波幅值 A.相同 B.大 C.小 D.不确定答案：C 第4题应力波在杆身存在波阻抗增大、杆端处于自由情况下，在杆头实测杆身波阻抗增大位置的一次反射波是 A.反向 B.奇数次反射反向，偶数次反射同向 C.同向 D.奇数次反射同向，偶数次反射反向答案：A 第5题在上行波中，质点运动的速度方向与所受力方向 A.一致 B.相反 C.有时一致，有时相反 D.垂直答案：B

第6题在下行波中，质点运动的速度方向与所受力方向 A.一致 B.相反 C.有时一致，有时相反 D.垂直答案：A 第7题质点速度的含义及数值范围 A.单位时间里质点在其平衡点附近运动时的位移变化量，一般只有几cm/s B.单位时间内振动传播的距离，一般会达到几km/s C.单位时间内振动传播的距离，一般只有几cm/s D.单位时间里质点在其平衡点附近运动时的位移变化量，一般只有几km/s 答案：A 第8题机械振动是什么 A.物体（质点）在其平衡位置附近来回往复的运动 B.物体（质点）或系统在连续介质中的传播过程 C.引起应力波的外载荷 D.扰动与未扰动的分界面答案：A 第9题两列应力波相遇，在相遇区域内，应力波有什么特性 A.反射、透射 B.散射 C.叠加 D.弥散（衰减）答案：C 第10题波动是什么？ A.物体（质点）在其平衡位置附近来回往复的运动 B.物体（质点）振动在空间的传播过程 C.引起应力波的外载荷 D.扰动与未扰动的分界面答案：B 第11题

试析气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响

试析气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响【摘要】本文对气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响做简单分析。【关键词】钻井施工气体钻井井斜究气体钻井周围岩石具有的应力性应变场当钻井的井眼构成完成之后,之前地下处于均衡状态的应力场开始以井眼为中心在其周围进行全新的应力场配置。较之钻井前地下具有的应力场状况,有三个主要的应力场以井眼为中心呈集聚状态进行分布,当中一个引力场具有的应力方向几乎是垂直方向的,而其余的两个应力场的应力方向是处于水平方向的。当钻成井眼之后, 距离井底稍远位置处上部井眼在手里上能够看做是一个简化平面内应力,若以底层当做弹性的基本前提,就可以按照弹性力学对井壁周围集聚的应力进行力学求解,上井部具有的应力示意图可见图1。在某一假定的区域与假定的深度范围之中,其原地具有的应力方向与数量大小在整体上保持相对的稳定性,也即是不考虑应力方向和数量大小的变化的情况下,设钻井井眼具有的井眼半径是a,该区域原地具有的水平应力最大是σH,最小是σh,可以使用极坐标系的求解方式列出气体钻井井眼周围集中分布的应力函数表达式,其具体求解函数是: （1）（2）（3）表达式(1)、(2)、(3)之中,径向的应力用σr表示,切向的应力用σθ表示, 而剪切应力用τrθ表示。使用表达式(1)、(2)、(3)对井筒附近所有单元体具有的应力状况进行求解,井筒附近单元体具有应力状况可见图2。这时候,井壁岩石在径向的压力差(σr-Pw)与三向应力影响中。因为气体钻井必须井壁稳定,其径向的压力差不能高于岩石剪切屈服或者内聚强度大的数值,从而保证井壁岩石的完整。要直接对钻井的液钻井与气体钻井周边应力状况特征进行探究,需要通过一个假设,同时使用软件Ansys对钻井附近的岩石受力状况进行分析。假定岩层是均质且宏观上不同方向头具有相同特性的弹性体,同时其具有的层理面处于水平方向上,钻井附近所有单元体仅接受上覆位置岩石给予的垂直应力与水平方向的应力影响,并将井眼作为圆形直井眼,且具有两个水平方向的主应力是σH与σh,而用Pp表示地层的孔隙压力是, Pw表示钻井液柱的压力,而对井附近应力存在的实际状况的分析模型实际上是对带圆孔无限平面内具有平面应变状况的求解,也就是井眼轴线垂直的平面受力情况的求解。井深是三千五百米,井眼直径d是二百一十毫米,σH是六十兆帕,σh是五十兆帕, Pp是四十兆帕,静态的弹性模量E是4.3*104兆帕, 静态的泊松比K是0.2,Pw

低应变考试题目及答案

岩石力学复习重点

岩石力学复习重点 1. 、绪论 1. 岩石材料的特殊性：岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，岩石经历了漫长的地质构造作用，内部产生了很大的压应力，具有各种规模的不连续面和孔洞，而且还可能含有液相和气相，岩石远不是均匀的、各向同性的弹性连续体。 2. 岩石与岩体的区别：（1）岩石：是组成地壳的基本物质，他是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。（2）岩体：是指一定工程范围内的自然地质体，他经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹如不整合褶皱断层层理节理劈理等不连续面。重要区别就是岩体包含若干不连续面。起决定作用的是岩体强度，而不是岩石强度。 3. 岩体结构的两个基本要素：结构面和结构体。结构面即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面与不连续面。被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体。 2. 岩石的物理力学性质 1. 名词解释：孔隙比：孔隙的体积（Vv）与岩石固体的体积的比值。孔隙率：是指岩石试样中孔隙体积与岩石总体积的百分比。吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重量之比的百分率。其大小取决于岩石中孔隙数量多少盒细微裂隙的连通情况。膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结力，完全丧失强度时的松散物质的性质。扩容：岩石在压缩载荷作用下，当外力继续增加时，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加的现象。蠕变：应力恒定，变形随时间发展。松弛：应变恒定，应力随时间减少。弹性后效：在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。长期强度：当岩石承受超过某一临界应力时，其蠕变向不稳定蠕变发展，当小于该临界值时，其蠕变向稳定蠕变发展，称该临界值为岩石的长期强度。 2. 岩石反复冻融后强度下降的原因： 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0C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。 3. 影响岩石强度的主要实验因素有哪些？

井巷工程试题汇总(答案)

二、选择题： 1、锚杆支护的原理主要有（ C ）、悬吊理论、组合梁作用。 A.加固作用 B.防止风化 C. 组合挤压拱 D 改善围岩应力 2、殉爆反映了炸药对___B___的敏感度。 A、应力波 B、爆轰冲击波 C、地震波 D 水平波 3、某道岔可表示为DX615—4—12，其中15代表（ C ） A、道岔号码 B、道岔轨距 C、道岔轨型 D、道岔的曲线半径 4.巷道掘进时，用（ C ）指示巷道掘进方向 A、腰线 B、地线 C、中线 D、边线 5.掘进工作面炮眼爆破顺序为（ A ） A、掏槽眼，辅助眼，周边眼 B、掏槽眼，周边眼，辅助眼 C、辅助眼，掏槽眼，周边眼 D、周边眼，辅助眼，掏槽眼 6. 在道岔的类型中，DK代表（ C ） A 对称道岔 B 渡线道岔 C 单开道岔 D 单线道岔 7. 中线的测量多采用（ A ） A 激光指向仪 B 倾斜仪 C 水平仪 D 以上三种都可以 8. 自由面是指（ A ） A 岩石与空气相接的表面 B 岩石与药包相接的表面 C 药包与空气相接的表面 D 药包周围的空间大小 9、煤矿井下应使用下列何种炸药（ C ） A、正氧平衡炸药 B、负氧平衡炸药 C、零氧平衡炸药 D、以上三种均可 10、巷道形状的选择与下列哪项因素无关（ D ） A、服务年限 B、掘进方式 C、支护方式 D、通风方式 11、巷道设计掘进断面比计算掘进断面（ B ） A、大 B、小 C、相等 D、不一定 12、下列哪项不属于喷射混凝土支护作用原理（ A ） A、组合梁作用 B、封闭围岩防止风化作用 C、共同承载作用 D、改善围岩应力状态 13、选择道岔时应遵循的原则不包括（ C ） A、与基本轨的轨型相适应 B、与基本轨的轨距相适应 C、与行驶车辆的类别相适应 D、与车辆的载重量相适应 14. 锚喷支护效果监测内容不包括（ D ） A、位移监测 B、围岩松动圈监测 C、顶板离层监测 D、支护时间监测 15. 采用不同的调车和转载方式，装载机的工时利用率最小的是（ A ） A、固定错车场 B、长转载输送机 C、梭式矿车 D、仓式列车三、填空 1. 传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论、组合拱（挤压拱）理论，近期又发展了最大水平应力理论。 2. 金属支架、石材支护、锚杆支护、锚杆支护 3. 炸药爆炸的特征放出大量热、生成大量气体和反应过程高速进行，其中爆炸生成的气体是能量的传递介质。

岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究_张永彬

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.wendangku.net/doc/6a8297641.html,