深部破裂圍巖蠕變力學(xué)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(shí)還包含巖體隨時(shí)間延續(xù)而形成的流變變形,且對(duì)深部軟巖巷道來(lái)說(shuō),圍巖流變是導(dǎo)致其長(zhǎng)期變形不止的一個(gè)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(xué)研究中一個(gè)重要課題。鑒于此,本文利用TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了完整巖樣與不同損傷巖樣的基本力學(xué)性質(zhì)與蠕變特性試驗(yàn)。綜合運(yùn)用試驗(yàn)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(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑下的再加載與蠕變力學(xué)特性,分析了圍壓和損傷度對(duì)巖樣基本力學(xué)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(diǎn)如下:
　　(1)通過(guò)完整巖樣的單軸和三軸壓縮試驗(yàn),研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下巖樣的變形與破壞過(guò)程及其力學(xué)特性的演化規(guī)律;并基于聲發(fā)射和擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了加載過(guò)程中巖樣損傷狀態(tài)的實(shí)時(shí)、定量評(píng)價(jià),為不同

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

4、度的提高由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)化的規(guī)律。
　　(3)通過(guò)巖樣的三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn),獲得了不同損傷度巖樣的蠕變力學(xué)特性,分析了損傷度、圍壓和應(yīng)力水平對(duì)巖樣的軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變和體積應(yīng)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(shí)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(duì)破裂巖體的蠕變曲線進(jìn)行了辨識(shí)與對(duì)比分析,對(duì)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(guò)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(shí)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(xué)特性的非線黏彈塑性模型,并根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果對(duì)該模型進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí),理論曲線與試驗(yàn)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(jìn)行FLAC3D的二次開(kāi)發(fā),并通過(guò)巖石的三軸壓縮蠕變數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)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(duì)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(tuán)趙莊煤礦西翼北輔運(yùn)巷為工程背景,采用FLAC3D有限差分軟件,結(jié)合開(kāi)發(fā)的非線性黏彈塑性模型程序,對(duì)趙莊礦深部巷道破裂圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與控制技術(shù)進(jìn)行研究,分析了破碎程度和支護(hù)方式對(duì)圍巖破裂演化與長(zhǎng)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(jī)理,