落锤冲击扰动下绿砂岩单轴压缩蠕变特性研究

摘要

许多岩体工程的服务年限长达几十年甚至上百年，必须确保其长期运营过程中的安全。蠕变是岩石材料的主要力学特征之一，许多工程实践表明，岩石蠕变是导致岩体工程产生大变形乃至失稳破坏的重要原因。目前，蠕变力学试验和理论研究取得了较大的进展，但岩石加速蠕变破坏的机理研究还不成熟。并且，在矿山岩体工程中，总会受到凿岩爆破、顶板断裂、机械振动和相邻岩爆产生的应力波等各式各样动态扰动的作用，对岩石蠕变力学特性有重要影响。鉴于此，本文采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究常规条件和冲击扰动条件下绿砂岩的蠕变特性。基于蠕变试验结果，运用流变力学与损伤力学理论，建立岩石蠕变损伤模型，在有限元软件结合编程基础上实现所建模型的数值求解，并对考虑时间效应的圆形巷道围岩损伤区分布及其长期稳定性进行分析。本文主要工作归结为以下几个方面: (1)在岩石流变-冲击试验机上对绿砂岩试样进行单轴压缩蠕变试验，研究绿砂岩试样的蠕变特性，确定绿砂岩试样减速蠕变阶段的持续时间、起始蠕变应力和长期强度。采用幂函数蠕变方程对试验数据进行拟合，得到方程中的蠕变参数。 (2)在幂函数蠕变方程的基础上，基于损伤力学理论，考虑岩石材料的非均匀性，以最大拉应变准则和摩尔库仑准则作为损伤判断准则，建立岩石蠕变损伤模型，借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics，通过MATLAB编程，实现所建模型的数值求解，通过与试验结果进行对比验证了模型的正确性。进行模型中有关参数对模拟结果影响的分析，为其应用时的参数赋值提供理论依据。 (3)基于所建立的蠕变损伤模型，通过数值模拟研究单轴和三轴压缩作用下绿砂岩蠕变损伤破坏过程。分析差应力对岩石蠕变应变和破坏时间的影响，再现蠕变过程中裂纹的萌生、扩展直至贯通的全过程。开展不同尺寸绿砂岩试样单轴压缩蠕变破坏数值模拟，分析长期强度的尺寸效应。 (4)对绿砂岩试样进行单次和多次循环落锤冲击蠕变试验，研究不同初始蠕变变形和冲击能量下冲击扰动对岩石蠕变特性的影响，计算试验中冲击能量的利用率。为分析冲击扰动加速岩石蠕变损伤破坏的机理，进行了冲击扰动下岩石蠕变损伤破坏过程数值模拟，再现了冲击载荷作用下岩石蠕变损伤到破坏的过程。 (5)对方形含圆孔绿砂岩试样进行单轴压缩蠕变试验，分析圆孔周边变形随时间的变化规律及裂纹扩展到破坏的过程。通过对水平圆形巷道围岩变形进行黏弹性分析，得到巷道围岩应力、应变及位移分布随时间的变化规律。采用蠕变损伤模型模拟圆形巷道围岩变形的时间效应，研究不同侧压力系数下巷道围岩变形破坏的时间与损伤破裂机理。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1问题的提出、研究背景及意义

1．2岩石蠕变力学特性的试验研究现状

1．2．1单轴压缩蠕变试验

1．2．2三轴压缩蠕变试验

1．2．3剪切蠕变试验

1．2．4拉伸蠕变试验

1．2．5流变扰动试验

1．3岩石蠕变模型的理论研究现状

1．3．1经验模型

1．3．2元件组合模型

1．3．3断裂损伤模型

1．4本文主要研究内容和创新性

1．4．1主要研究内容

1．4．2本文创新性

1．5技术路线

第2章绿砂岩蠕变力学特性试验研究

2．1试验设备简介

2．1．1岩石流变-冲击试验机

2．1．2试验机系统测试

2．2绿砂岩常规物理力学参数测试

2．2．1试验技术及试验材料

2．2．2试验测试结果及分析

2．3绿砂岩单轴压缩蠕变试验

2．3．1试验方案

2．3．2减速蠕变阶段时间

2．3．3试验确定起始蠕变应力σC'

2．3．4长期强度确定

2．3．5分级加载蠕变试验结果

2．4本章小结

第3章岩石蠕变损伤模型建立

3．1岩石蠕变模型

3．1．1简单应力状态下岩石蠕变模型

3．1．2复杂应力状态下岩石蠕变模型

3．1．3岩石加速蠕变阶段的实现

3．1．4损伤和非均质性对加速蠕变的作用机理

3．2模型参数分析

3．2．1 A对岩石蠕变模型的影响

3．2．2 m0对岩石蠕变模型的影响

3．2．3n0对蠕变模型的影响

3．3数值模拟确定起始蠕变应力σC'

3．4模型对比验证

3．4．1数值模型的建立

3．4．2数值模拟结果与试验结果对比

3．5本章小结

第4章岩石蠕变损伤破坏过程数值模拟研究

4．1绿砂岩三轴压缩蠕变数值模拟

4．1．1模型设置

4．1．2试验结果及分析

4．2单轴压缩蠕变岩石长期强度尺寸效应研究

4．2．1模型验证

4．2．2不同尺寸岩石单轴压缩蠕变数值模拟

4．2．3长期强度尺寸效应分析

4．3本章小结

第5章落锤冲击扰动下蠕变岩石损伤破裂过程研究

5．1落锤冲击扰动下绿砂岩单轴压缩蠕变试验研究

5．1．1试验技术方案

5．1．2多次循环冲击试验结果及分析

5．1．3单次冲击试验结果及分析

5．2动态扰动下绿砂岩蠕变过程数值模拟

5．2．1应力波在蠕变岩石中的传播及诱致的破坏

5．2．2不同蠕变应力下试样损伤破坏过程

5．2．3不同初始蠕变时间下试样损伤破坏过程

5．2．4不同冲击荷载下试样损伤破坏过程

5．3本章小结

第6章考虑时间效应的巷道围岩变形分析

6．1方形含圆孔试样压缩蠕变试验

6．1．1岩样及试验技术

6．1．2试验结果及分析

6．2水平圆形巷道围岩变形黏弹性分析

6．3单轴压缩下圆形巷道开挖围岩变形时间效应数值模拟

6．3．1数值模型

6．3．2数值模拟结果

6．4不同侧压力下圆形巷道围岩变形时间效应数值模拟

6．4．1数值模型

6．4．2数值模拟结果

6．5本章小结

第7章结论与展望

7．1本文的主要结论

7．2本文的不足与展望

参考文献

致谢

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