本书主要介绍岩体裂隙网络各向异性损伤力学效应的试验、理论研究和工程应用。在试验研究方面，以裂隙岩体模拟试件的单轴压缩试验为基础，采用数字图像处理、筛分试验和有限元模拟分别对试件的表面裂纹演化特征、破碎特征和起裂机制进行分析，研究试件宏观各向异性、非线性力学响应与其裂隙网络几何参数的相关关系，揭示裂隙岩体的损伤机理。在理论研究方面，以微平面二元介质模型为出发点建立了岩体本构关系研究的新框架，讨论了标量和矢量的方向分布函数及其各阶组构张量、岩体的各向异性损伤强度准则和岩体的微平面损伤本构模型。在工程应用方面，考虑岩体各向异性对油井井壁的稳定性进行了弹性和弹塑性分析。
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《岩石力学与工程研究著作丛书》序
《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话
前言
第1章 绪论 1
1.1 岩体损伤力学机理的试验研究 3
1.1.1 现场原位试验 3
1.1.2 物理模拟试验 4
1.1.3 数值模拟试验 6
1.2 岩体的各向异性强度准则 7
1.2.1 基于张量及不变量的各向异性强度理论 7
1.2.2 基于材料参数修正的各向异性强度理论 8
1.3 岩体的各向异性损伤本构模型 9
1.3.1 基于传统方法的岩体各向异性损伤本构模型 9
1.3.2 混凝土材料的微平面模型 11
1.3.3 基于二元介质概念的岩体微平面损伤模型 13
1.4 本章小结 14
参考文献 15
第2章 节理岩体模拟试件的单轴压缩试验 25
2.1 试验参数和方法 25
2.1.1 试件尺寸和节理网络参数 25
2.1.2 岩石模拟材料的选取 27
2.1.3 材料配比及力学参数测定 28
2.1.4 试件的制作方法 28
2.1.5 试件的数量 29
2.1.6 单轴压缩试验设备 30
2.2 试件的应力-应变全曲线及其分类 30
2.2.1 各组试件的应力-应变全曲线 30
2.2.2 应力-应变全曲线的类型 32
2.3 试件的峰值强度和弹性模量 35
2.3.1 强度和弹性模量的变化规律 35
2.3.2 强度和弹性模量随节理连通率变化的拟合函数 37
2.4 试件的延性指标 41
2.4.1 常用的延性或脆性指标 41
2.4.2 试件延性指标的变化规律 42
2.5 试件的开裂过程和破坏模式 44
2.5.1 起裂类型 44
2.5.2 裂纹汇合贯通类型 48
2.5.3 破坏模式 55
2.6 宏观力学行为的损伤力学机制分析 56
2.6.1 应力-应变全曲线类型的损伤力学机理 56
2.6.2 强度各向异性变化规律的损伤力学机理 59
2.7 本章小结 60
参考文献 61
第3章 单轴压缩试验中试件的表面裂纹演化特征分析 63
3.1 二维数字图像处理技术及表面裂纹统计参量的计算方法 64
3.1.1 各试件代表性图像的选取 64
3.1.2 二维灰度图像的增强和二值化 66
3.1.3 单个裂纹的识别和参数统计 69
3.1.4 表面裂纹的总面积分数和分形维数 70
3.2 表面裂纹的总面积分数和分形维数随轴向应变的演化 71
3.2.1 各试件表面裂纹的总面积分数和分形维数随轴向应变的变化曲线 71
3.2.2 表面裂纹的总面积分数和分形维数演化随节理参数的变化特征 81
3.3 特征点的裂纹面积分数和分形维数随节理参数的变化规律 85
3.4 表面裂纹面积分数角度分布特征随节理参数的变化规律 88
3.4.1 各试件特征点处的表面裂纹二值化图像 88
3.4.2 各试件特征点处表面裂纹面积分数的角度分布 95
3.5 本章小结 112
参考文献 113
第4章 单轴压缩试验后试件的破碎特征分析 115
4.1 筛分试验的方法和步骤 116
4.1.1 筛分试验方法 116
4.1.2 筛分试验步骤 117
4.2 筛分试验的结果 119
4.2.1 各试件筛分试验的粗粒和中粒照片 119
4.2.2 各试件破碎体的粒级-质量 129
4.2.3 各试件破碎体的粒级-频数 131
4.3 破碎体的块度分布特征 132
4.3.1 质量百分比 132
4.3.2 各粒级的频数 135
4.3.3 比表面积 137
4.3.4 分形维数 142
4.4 本章小结和讨论 144
参考文献 146
第5章 裂隙岩体起裂机制分析 147
5.1 远场压力下单个椭圆裂隙弹性应力场的解析解 148
5.1.1 平面问题弹性应力的复变函数解及保角变换 148
5.1.2 Muskhelishvili的极坐标解析解 149
5.1.3 Stevenson的椭圆坐标解析解 151
5.1.4 椭圆孔周围的应力场分布及应力集中系数 152
5.2 基于两种破裂机制的破裂判据、破裂函数及临界荷载 161
5.2.1 拉破裂的判据、破裂函数和开裂临界荷载 161
5.2.2 剪破裂的判据、破裂函数和开裂临界荷载 165
5.3 多裂隙岩体开裂机制的有限元模拟分析 170
5.3.1 几何模型 171
5.3.2 有限元计算网格 173
5.3.3 应力计算结果 177
5.3.4 开裂机制分析 187
5.4 与裂隙岩体起裂的试验结果对比 189
5.5 本章小结 191
参考文献 191
第6章 方向分布函数及其组构张量 193
6.1 方向分布标量函数及其组构张量 193
6.1.1 单位方向矢量各阶并矢及其方向平均 194
6.1.2 两个张量并积关于指标完全对称化的记法 199
6.1.3 方向分布标量函数的第一类组构张量 200
6.1.4 方向分布标量函数的第二类组构张量 203
6.1.5 方向分布标量函数的第三类组构张量 206
6.2 方向分布矢量函数及其组构张量 212
6.2.1 单位张量和任意矢量与单位方向矢量并失组成的两个特殊张量 212
6.2.2 方向分布矢量函数法向分量（标量）的第一类组构张量 217
6.2.3 方向分布矢量函数的第一类组构张量 219
6.2.4 方向分布矢量函数的第二类组构张量 222
6.2.5 方向分布矢量函数的第三类组构张量 225
6.3 本章小结 227
参考文献 229
第7章 基于组构张量的岩体各向异性屈服或强度准则 230
7.1 微平面模型的宏细观联系框架 230
7.1.1 代表性体积单元的宏观物理量和微平面上的细观物理量 230
7.1.2 微平面物理量和宏观物理量间的联系 232
7.2 基于微平面有效应力的岩体各向异性损伤屈服准则 237
7.2.1 宏观应力张量不变量的微平面表达式 238
7.2.2 各向同性强度准则及其微平面表述 240
7.2.3 微平面有效应力矢量、宏观有效应力张量及其不变量 242
7.2.4 材料主轴坐标系内的岩体各向异性屈服准则 248
7.3 考虑材料参数方向分布的岩体各向异性强度准则 251
7.3.1 岩体强度参数的各向异性分布 251
7.3.2 各向异性岩体的拉、剪破坏条件 252
7.3.3 岩体的各向异性抗拉强度准则 253
7.3.4 岩体的各向异性抗剪强度准则 254
7.3.5 主应力空间内的岩体各向异性强度准则破坏面 259
7.4 本章小结 266
参考文献 268
第8章 岩体的各向异性损伤本构模型 269
8.1 岩体微平面二元介质模型的宏细观联系框架 269
8.1.1 岩体微平面二元介质模型的基本假设 269
8.1.2 微平面法向和切向都不分解形式的宏细观联系框架 271
8.1.3 微平面法向分解、切向不分解形式的宏细观联系框架 273
8.1.4 微平面法向不分解、切向分解形式的宏细观联系框架 275
8.1.5 微平面模型建立宏观本构方程的步骤及单位球面数值积分 277
8.2 各向同性材料的微平面弹性本构关系及弹性常数 283
8.2.1 法向和切向都不分解形式的微平面弹性本构关系及弹性常数 283
8.2.2 法向分解、切向不分解形式的微平面弹性本构关系及弹性常数 285
8.2.3 法向不分解、切向分解形式的微平面弹性本构关系及弹性常数 287
8.3 岩体的塑性损伤耦合微平面模型 288
8.3.1 微平面损伤变量的组构张量 288
8.3.2 岩体的损伤弹性本构方程 290
8.3.3 岩体微平面的损伤弹塑性本构关系 295
8.3.4 岩体的宏观弹塑性本构方程 300
8.3.5 岩体的塑性损伤耦合微平面模型计算流程 301
8.3.6 算例 303
8.4 基于应力边界的岩体各向异性损伤微平面模型 306
8.4.1 微平面上岩体和两个力学基元的应变增量 306
8.4.2 微平面上两个力学基元的弹性试应力 307
8.4.3 微平面上两个力学基元的应力-应变边界方程 308
8.4.4 微平面上的岩体应力矢量和岩体宏观应力张量 312
8.4.5 微平面的损伤演化方程 312
8.4.6 基于应力边界的岩体各向异性损伤微平面模型计算流程 314
8.4.7 算例 315
8.5 本章小结 327
参考文献 328
第9章 考虑岩体各向异性的油井井筒稳定性分析 330
9.1 考虑岩体各向异性的井壁稳定弹性分析 330
9.1.1 地应力主轴、岩体材料主轴和井筒的坐标系 331
9.1.2 井筒周围岩体的弹性应力场 335
9.1.3 考虑岩体各向异性的井壁稳定弹性分析模型及软件 345
9.1.4 算例 349
9.2 考虑岩体各向异性的井壁稳定弹塑性分析 353
9.2.1 分析方法及计算参数 353
9.2.2 分析结果 355
9.3 本章小结 358
参考文献 359
彩图
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