深部破裂围岩蠕变力学特性与本构模型研究

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深部巷道围岩表现出的大变形,既包含岩体的弹性和塑性变形,以及岩体破坏引起的碎胀和滑移变形,同时还包含岩体随时间延续而形成的流变变形,且对深部软岩巷道来说,围岩流变是导致其长期变形不止的一个主要因素。深部软岩围岩的变形破坏与流变特性研究,是深部岩石力学研究中一个重要课题。鉴于此,本文利用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验系统进行了完整岩样与不同损伤岩样的基本力学性质与蠕变特性试验。综合运用试验研究、理论分析、数值模拟等手段,研究了完整与不同损伤度岩样在不同应力状态和应力路径下的再加载与蠕变力学特性,分析了围压和损伤度对岩样基本力学性质和蠕变特性的影响规律,建立了损伤和非线性黏弹塑性本构模型。论文的主要研究成果和创新点如下:  (1)通过完整岩样的单轴和三轴压缩试验,研究了不同应力状态下岩样的变形与破坏过程及其力学特性的演化规律;并基于声发射和扩容特性分析了完整岩样的损伤演化特性,建立了其损伤本构模型,实现了加载过程中岩样损伤状态的实时、定量评价,为不同损伤度岩样的再加载与蠕变力学特性研究奠定了基础。  (2)通过试验过程中峰值强度前、峰值点、峰值强度后以及残余强度阶段等不同状态的卸载试验,获得了不同损伤度岩样,并基于体积扩容损伤演化模型确定其相应的损伤度;再通过岩样的再加载试验,研究不同损伤度岩样在不同应力状态和应力路径下的再加载力学特性,分析了围压和损伤度对岩样的峰值强度、残余强度、弹性模量、变形模量、峰值应变等力学参数及其体积扩容特性的影响规律,揭示了岩样的力学性质随损伤度的提高由应变软化向应变硬化转化的规律。  (3)通过岩样的三轴压缩蠕变试验,获得了不同损伤度岩样的蠕变力学特性,分析了损伤度、围压和应力水平对岩样的轴向应变、径向应变和体积应变以及蠕变速率的影响规律,为蠕变本构模型的建立与参数辨识提供基础数据。  (4)采用广义Kelvin模型、Burgers模型和西原模型对破裂岩体的蠕变曲线进行了辨识与对比分析,对比结果表明Burgers模型能够较好地描述破裂岩体黏弹性阶段的蠕变变形特性;在此基础上,通过将非线性黏塑性模型与Burgers蠕变模型串联,建立了能够反映不同损伤度岩样瞬时弹性变形、初期衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变等阶段力学特性的非线黏弹塑性模型,并根据蠕变试验结果对该模型进行了参数辨识,理论曲线与试验曲线的相关系数均大于0.905;再基于VC++将建立的非线黏弹塑性模型进行FLAC3D的二次开发,并通过岩石的三轴压缩蠕变数值试验验证了非线性黏弹塑性模型程序的正确性与适用性。  (5)分析了损伤度对非线黏弹塑性模型蠕变参数的影响规律,建立了蠕变参数与损伤度间的函数关系,并将损伤度引入非线黏弹塑性模型的蠕变参数,建立了考虑初始损伤的非线性黏弹塑性本构模型。  (6)以晋煤集团赵庄煤矿西翼北辅运巷为工程背景,采用FLAC3D有限差分软件,结合开发的非线性黏弹塑性模型程序,对赵庄矿深部巷道破裂围岩的长期稳定性与控制技术进行研究,分析了破碎程度和支护方式对围岩破裂演化与长期稳定性的影响规律,揭示了深部破裂围岩巷道的变形破坏机理,确定了合理的围岩稳定控制技术与参数。工程实践表明:研究确定的技术方案和参数较好地满足了围岩和支护结构稳定的需要。
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