深埋硬岩破裂跨尺度分析理论及应用
定价：￥128.00
作者： 徐鼎平，柳秀洋
出版时间：2026-07
出版社：科学出版社
- 科学出版社
- 9787030853578
- 1版
- 2026-07
作者简介
内容简介
本书系统阐述深部花岗岩矿物细观力学特性与工程围岩宏细观破裂机制的跨尺度研究成果。本书以双江口水电站地下厂房洞室群为工程依托，聚焦花岗岩矿物组分细观力学行为及其对围岩破裂的控制作用，通过多尺度试验、理论建模与数值模拟相结合的方法，揭示从矿物尺度到工程尺度的破裂演化规律，为深部硬岩工程稳定性分析与控制提供新理论和新方法。本书的创新在于建立从矿物细观力学特性到工程围岩宏细观破裂的全链条分析方法，解决深部硬岩“取样难”条件下的参数评估难题，发展跨尺度耦合数值模拟技术，为深部工程稳定性控制提供理论基础和实践指南。
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究进展 2
1.2.1 岩石微/纳米力学测试技术 2
1.2.2 岩石细观尺度的数值模拟研究 9
1.2.3 岩石力学参数的升尺度方法 12
1.2.4 地下洞室围岩宏细观破裂特征研究 15
1.3 有待进一步研究的问题 16
1.4 主要研究内容与技术路线 17
1.4.1 主要研究内容 17
1.4.2 研究技术路线 19
第2章 花岗岩矿物及界面细观力学特性试验 21
2.1 基于偏光显微镜的矿物成分鉴定 21
2.1.1 矿物成分 21
2.1.2 矿物粒度分布 23
2.2 基于相位的矿物及界面纳米压痕试验 25
2.2.1 纳米压痕测试原理与分析方法 25
2.2.2 联合SEM-EDS的相位纳米压痕试验方案 28
2.3 矿物纳米压痕蠕变试验 33
2.3.1 纳米压痕蠕变试验原理 33
2.3.2 纳米压痕蠕变试验方案 34
2.4 本章小结 34
第3章 花岗岩矿物及界面细观力学特性 36
3.1 矿物及界面细观力学特性参量 37
3.1.1 荷载-压痕深度曲线 37
3.1.2 弹性模量 40
3.1.3 压痕硬度 44
3.1.4 I型断裂韧度 47
3.2 细观力学参数的关联性 49
3.2.1 硬度与弹性模量的关系 49
3.2.2 断裂韧度与弹性模量的关系 53
3.3 矿物细观蠕变行为特征 55
3.3.1 蠕变位移与蠕变速率 55
3.3.2 接触蠕变模量与蠕变特征时间 58
3.4 修正对数蠕变模型及细观蠕变机理 59
3.4.1 考虑漂移效应和弹性恢复的修正对数蠕变模型 59
3.4.2 与现有细观蠕变模型的对比 61
3.4.3 矿物细观蠕变机理 68
3.5 本章小结 71
第4章 基于矿物晶体模型和纳米压痕试验辅助的花岗岩细观模拟参数标定 73
4.1 花岗岩GBM多晶模型重构方法 74
4.1.1 基于k-means算法图像分割的晶体建模 74
4.1.2 基于Voronoi多边形的晶体建模 75
4.2 基于矩张量理论的声发射PFC模拟算法 76
4.2.1 PFC模拟声发射原理 76
4.2.2 声发射b值的求解 77
4.2.3 基于各向同性比值的震源分类 77
4.3 基于纳米压痕试验辅助的岩石细观参数标定方法 78
4.3.1 PFC颗粒接触模型 79
4.3.2 纳米压痕试验辅助的参数标定流程 80
4.3.3 参数标定结果验证 81
4.3.4 晶粒尺度下的破裂特征 85
4.4 基于岩体强度和脆性破坏信息约束的岩石细观参数缩尺模型标定方法 88
4.4.1 基于原位岩体强度的缩尺模型参数标定方法 88
4.4.2 基于脆性剥落深度的跨尺度参数标定结果验证 89
4.5 本章小结 90
第5章 基于矿物细观力学测试的岩石及岩体力学参数估计 92
5.1 基于矿物弹性模量的岩石弹性模量预测模型 92
5.1.1 等效弹性模量的均匀化方法 97
5.1.2 广义均值法 97
5.1.3 广义均值法与Mori-Tanaka法的比较 98
5.2 基于矿物压痕硬度的岩石单轴抗压强度预测模型 102
5.2.1 硬度与抗压强度的物理意义一致性 102
5.2.2 多元线性统计回归预测岩石单轴抗压强度 102
5.3 基于矿物I型断裂韧度的岩石抗拉强度预测模型 104
5.3.1 I型断裂韧度与抗拉强度存在关系的原因 104
5.3.2 基于矿物I型断裂韧度的岩石抗拉强度回归预测模型 105
5.4 基于矿物细观力学参数估计岩石和岩体力学参数的基本流程及应用场景 109
5.4.1 基本流程 109
5.4.2 应用场景 110
5.5 本章小结 112
第6章 开挖扰动下深埋花岗岩多尺度破裂演化的分区耦合分析方法 114
6.1 PFC-FLAC分区耦合计算方法 115
6.1.1 PFC-FLAC分区耦合计算原理 115
6.1.2 PFC-FLAC分区耦合计算实现步骤 116
6.2 案例1：基于钻孔监测与三维连续-离散分区耦合的深埋花岗岩宏细观破裂演化 117
6.2.1 分析流程 117
6.2.2 工程背景 119
6.2.3 脆性破坏高风险区识别 121
6.2.4 钻孔监测方案与观测结果分析 122
6.2.5 基于三维连续-离散耦合模拟的花岗岩细观破裂演化 127
6.3 案例2：侵入岩脉影响下的深埋硬岩宏细观破坏特征 140
6.3.1 问题概况 140
6.3.2 岩脉侵入位置设定 142
6.3.3 基于二维连续-离散耦合模拟和矩张量分析的花岗岩细观破裂演化 143
6.4 本章小结 151
参考文献 152
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究进展 2
1.2.1 岩石微/纳米力学测试技术 2
1.2.2 岩石细观尺度的数值模拟研究 9
1.2.3 岩石力学参数的升尺度方法 12
1.2.4 地下洞室围岩宏细观破裂特征研究 15
1.3 有待进一步研究的问题 16
1.4 主要研究内容与技术路线 17
1.4.1 主要研究内容 17
1.4.2 研究技术路线 19
第2章 花岗岩矿物及界面细观力学特性试验 21
2.1 基于偏光显微镜的矿物成分鉴定 21
2.1.1 矿物成分 21
2.1.2 矿物粒度分布 23
2.2 基于相位的矿物及界面纳米压痕试验 25
2.2.1 纳米压痕测试原理与分析方法 25
2.2.2 联合SEM-EDS的相位纳米压痕试验方案 28
2.3 矿物纳米压痕蠕变试验 33
2.3.1 纳米压痕蠕变试验原理 33
2.3.2 纳米压痕蠕变试验方案 34
2.4 本章小结 34
第3章 花岗岩矿物及界面细观力学特性 36
3.1 矿物及界面细观力学特性参量 37
3.1.1 荷载-压痕深度曲线 37
3.1.2 弹性模量 40
3.1.3 压痕硬度 44
3.1.4 I型断裂韧度 47
3.2 细观力学参数的关联性 49
3.2.1 硬度与弹性模量的关系 49
3.2.2 断裂韧度与弹性模量的关系 53
3.3 矿物细观蠕变行为特征 55
3.3.1 蠕变位移与蠕变速率 55
3.3.2 接触蠕变模量与蠕变特征时间 58
3.4 修正对数蠕变模型及细观蠕变机理 59
3.4.1 考虑漂移效应和弹性恢复的修正对数蠕变模型 59
3.4.2 与现有细观蠕变模型的对比 61
3.4.3 矿物细观蠕变机理 68
3.5 本章小结 71
第4章 基于矿物晶体模型和纳米压痕试验辅助的花岗岩细观模拟参数标定 73
4.1 花岗岩GBM多晶模型重构方法 74
4.1.1 基于k-means算法图像分割的晶体建模 74
4.1.2 基于Voronoi多边形的晶体建模 75
4.2 基于矩张量理论的声发射PFC模拟算法 76
4.2.1 PFC模拟声发射原理 76
4.2.2 声发射b值的求解 77
4.2.3 基于各向同性比值的震源分类 77
4.3 基于纳米压痕试验辅助的岩石细观参数标定方法 78
4.3.1 PFC颗粒接触模型 79
4.3.2 纳米压痕试验辅助的参数标定流程 80
4.3.3 参数标定结果验证 81
4.3.4 晶粒尺度下的破裂特征 85
4.4 基于岩体强度和脆性破坏信息约束的岩石细观参数缩尺模型标定方法 88
4.4.1 基于原位岩体强度的缩尺模型参数标定方法 88
4.4.2 基于脆性剥落深度的跨尺度参数标定结果验证 89
4.5 本章小结 90
第5章 基于矿物细观力学测试的岩石及岩体力学参数估计 92
5.1 基于矿物弹性模量的岩石弹性模量预测模型 92
5.1.1 等效弹性模量的均匀化方法 97
5.1.2 广义均值法 97
5.1.3 广义均值法与Mori-Tanaka法的比较 98
5.2 基于矿物压痕硬度的岩石单轴抗压强度预测模型 102
5.2.1 硬度与抗压强度的物理意义一致性 102
5.2.2 多元线性统计回归预测岩石单轴抗压强度 102
5.3 基于矿物I型断裂韧度的岩石抗拉强度预测模型 104
5.3.1 I型断裂韧度与抗拉强度存在关系的原因 104
5.3.2 基于矿物I型断裂韧度的岩石抗拉强度回归预测模型 105
5.4 基于矿物细观力学参数估计岩石和岩体力学参数的基本流程及应用场景 109
5.4.1 基本流程 109
5.4.2 应用场景 110
5.5 本章小结 112
第6章 开挖扰动下深埋花岗岩多尺度破裂演化的分区耦合分析方法 114
6.1 PFC-FLAC分区耦合计算方法 115
6.1.1 PFC-FLAC分区耦合计算原理 115
6.1.2 PFC-FLAC分区耦合计算实现步骤 116
6.2 案例1：基于钻孔监测与三维连续-离散分区耦合的深埋花岗岩宏细观破裂演化 117
6.2.1 分析流程 117
6.2.2 工程背景 119
6.2.3 脆性破坏高风险区识别 121
6.2.4 钻孔监测方案与观测结果分析 122
6.2.5 基于三维连续-离散耦合模拟的花岗岩细观破裂演化 127
6.3 案例2：侵入岩脉影响下的深埋硬岩宏细观破坏特征 140
6.3.1 问题概况 140
6.3.2 岩脉侵入位置设定 142
6.3.3 基于二维连续-离散耦合模拟和矩张量分析的花岗岩细观破裂演化 143
6.4 本章小结 151
参考文献 152
