深部破裂圍巖蠕變力學特性與本構(gòu)模型研究.pdf

1、深部巷道圍巖表現(xiàn)出的大變形,既包含巖體的彈性和塑性變形,以及巖體破壞引起的碎脹和滑移變形,同時還包含巖體隨時間延續(xù)而形成的流變變形,且對深部軟巖巷道來說,圍巖流變是導致其長期變形不止的一個主要因素。深部軟巖圍巖的變形破壞與流變特性研究,是深部巖石力學研究中一個重要課題。鑒于此,本文利用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗系統(tǒng)進行了完整巖樣與不同損傷巖樣的基本力學性質(zhì)與蠕變特性試驗。綜合運用試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬等手段,研究

2、了完整與不同損傷度巖樣在不同應力狀態(tài)和應力路徑下的再加載與蠕變力學特性,分析了圍壓和損傷度對巖樣基本力學性質(zhì)和蠕變特性的影響規(guī)律,建立了損傷和非線性黏彈塑性本構(gòu)模型。論文的主要研究成果和創(chuàng)新點如下:
　　(1)通過完整巖樣的單軸和三軸壓縮試驗,研究了不同應力狀態(tài)下巖樣的變形與破壞過程及其力學特性的演化規(guī)律;并基于聲發(fā)射和擴容特性分析了完整巖樣的損傷演化特性,建立了其損傷本構(gòu)模型,實現(xiàn)了加載過程中巖樣損傷狀態(tài)的實時、定量評價,為不同

3、損傷度巖樣的再加載與蠕變力學特性研究奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)通過試驗過程中峰值強度前、峰值點、峰值強度后以及殘余強度階段等不同狀態(tài)的卸載試驗,獲得了不同損傷度巖樣,并基于體積擴容損傷演化模型確定其相應的損傷度;再通過巖樣的再加載試驗,研究不同損傷度巖樣在不同應力狀態(tài)和應力路徑下的再加載力學特性,分析了圍壓和損傷度對巖樣的峰值強度、殘余強度、彈性模量、變形模量、峰值應變等力學參數(shù)及其體積擴容特性的影響規(guī)律,揭示了巖樣的力學性質(zhì)隨損傷

4、度的提高由應變軟化向應變硬化轉(zhuǎn)化的規(guī)律。
　　(3)通過巖樣的三軸壓縮蠕變試驗,獲得了不同損傷度巖樣的蠕變力學特性,分析了損傷度、圍壓和應力水平對巖樣的軸向應變、徑向應變和體積應變以及蠕變速率的影響規(guī)律,為蠕變本構(gòu)模型的建立與參數(shù)辨識提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　(4)采用廣義Kelvin模型、Burgers模型和西原模型對破裂巖體的蠕變曲線進行了辨識與對比分析,對比結(jié)果表明Burgers模型能夠較好地描述破裂巖體黏彈性階段的蠕變變形

5、特性;在此基礎(chǔ)上,通過將非線性黏塑性模型與Burgers蠕變模型串聯(lián),建立了能夠反映不同損傷度巖樣瞬時彈性變形、初期衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變等階段力學特性的非線黏彈塑性模型,并根據(jù)蠕變試驗結(jié)果對該模型進行了參數(shù)辨識,理論曲線與試驗曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.905;再基于VC++將建立的非線黏彈塑性模型進行FLAC3D的二次開發(fā),并通過巖石的三軸壓縮蠕變數(shù)值試驗驗證了非線性黏彈塑性模型程序的正確性與適用性。
　　(5)分析了損傷度

6、對非線黏彈塑性模型蠕變參數(shù)的影響規(guī)律,建立了蠕變參數(shù)與損傷度間的函數(shù)關(guān)系,并將損傷度引入非線黏彈塑性模型的蠕變參數(shù),建立了考慮初始損傷的非線性黏彈塑性本構(gòu)模型。
　　(6)以晉煤集團趙莊煤礦西翼北輔運巷為工程背景,采用FLAC3D有限差分軟件,結(jié)合開發(fā)的非線性黏彈塑性模型程序,對趙莊礦深部巷道破裂圍巖的長期穩(wěn)定性與控制技術(shù)進行研究,分析了破碎程度和支護方式對圍巖破裂演化與長期穩(wěn)定性的影響規(guī)律,揭示了深部破裂圍巖巷道的變形破壞機理,