砂岩卸荷蠕变特性研究及能量演化分析.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 砂．岩．卸．荷蠕变特．畦研究及．熊量．演化分．析 3 t Uc l y0 lU n l o a dC r e e Dp r 0 D e r t l e S0 tS a n d S t o n ea n de n e r g V ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯●⋯●⋯⋯d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- C √ ⋯舢量U 重i l №．璺堕焦b 量i 曼 作者姓名刘文博 指导教师张树光教授 学科专业岩土工程 二。一七年六月 万方数据 分类号 I 堕垒5 墨 U D C6 2 4 学校代码 Q 垒2 硕士学位论文 砂岩卸荷蠕变特性研究及熊量演他分析 溉堕y ．照．婴刖Q 鼐g 。￡r 叟 ；n ．删雕E 曼螅曼．Q 曼。曼曼魏g 曼曼Q 魏金．璺娶照．旦墼金I ．_ g y ． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■⋯■ 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 曼墨㈣№照．璺娶曼里y 甄 刘文博 张树光教授 工学硕士 岩土工程 研究方向环境岩土工程 辽宁工程技术大学 万方数据 ㈣删㈣㈣Ⅷ㈣㈣舢舢0 ’ 关于论文使用授权的说明 Y 3 4 6 9 7 7 9 本学位论文作者及指导教师完全了解辽主工程技本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝工程技本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名童尘堡堂 年月 日 翮繇缝边 年月日 万方数据 致谢 三年的研究生生活马上就要结束了，在硕士研究生即将毕业之际，首先感谢我 的导师张树光教授。张老师在教学过程中注重师德修养，提倡严谨教风，十分注意 良好的师德对学生潜移默化的影响，论文从选题、研究方案确定以及到最后的撰写 完成，每一个阶段都得到了张老师的悉心指导。感谢张老师在论文写作过程中给予 的帮助，虽然只和张老师在一起三年时间，但是张老师做人的严谨、学识的渊博给 我带来了不尽的动力，令我受益终身。张老师不仅在学习上给我了很大的帮助，而 且还教会了我很多为人处事的道理，谨向导师表示衷心感谢。 其次，我要感谢我的师兄王有涛和林晓楠，在做实验的时候，我们配合融洽， 互相信任。通过交流，我们可以及时发现问题，共同解决问题。当我在写论文的过 程中遇到困难，感动疑惑的时候，和王有涛和林晓楠的探讨可以让我重新理清思路， 少走许多弯路。 再次，我要感谢我的同门张印，他放弃了暑假休息的时间，在学校陪我做实验， 他不怕脏不怕累，从岩石切割、取芯到打磨，他给我们提供了很多帮忙，解决了我 的后顾之忧，是我能够成功完成试验的保证。 最后，我要感谢我的同班同学。在论文的写作和后期更改中，是他们的鼓励和帮助让 我有了更强的动力和更好的状态。整个论文写作过程也是新知识的学习过程，在这期间遇 到过各种各样的问题，也麻烦了不少同学进行询问和请教。所以在此衷心的感谢土木学院 所有老师和土木研1 4 届的全体同学还有我的师兄、师弟、师妹们 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 深部岩体长期处于高应力状态之下，自身就贮存了较高的变形势能，地下矿产 资源开采和井巷工程掘进等都是深部岩体一个释放变形势能的过程，而开挖工作面 就是势能释放的方向，因此这是一个典型的卸载过程。与此同时岩石的抗压性能远 远大于其抗拉性能，且开采工作面在卸载过程中扩张变形在各个方向上是不同的， 从而引起围岩损伤破坏，也为后期围岩的支护护理提供相应参数。由于开采方法和 机械的差异使得围岩卸载状况不一样，导致围岩扩张变形千变万化，如果控制变形 支护不当，有可能导致塌方等安全事故；为了安全有效地开挖地下井巷和开采地下 矿产资源，有必要对巷道围岩卸载蠕变特性进行深一步研究。 本文以阜新恒大煤矿巷道围岩 砂岩 为研究对象，利用T A W 2 0 0 0 岩石力学 试验系统，对卸围压蠕变作用机制和三轴压缩试验中能量演化规律展开研究，通过 引入最小耗能原理，从能量角度研究围岩在卸载过程中蠕变特性和损伤破坏机理， 为深部工程的巷道围岩开挖设计提供依据，得出以下主要结论 1 在三轴压缩试验中，轴向、径向、体积应变随围压增加，应力应变曲线 在峰值附近趋于平缓，应变在卸载试验中没有明显峰值。在卸载试验中，试样的径 向变形从弹性阶段就急剧增加，其增长速率远大于轴向应变速率，岩石试样变形由 压缩转换为膨胀，并且扩容起始点与应变峰值点相对应。 2 砂岩在加载时粘聚力C 大于卸围压试验，而卸荷试验中定轴卸围的C 值 要小于升轴卸围C 值；砂岩在加载状态下内摩擦角p 小于卸围压状态，而卸荷试验 中定轴卸围的9 值要大于升轴卸围垆值；主要由于在加载试验中岩石破坏以压剪破坏 为主，卸荷试验中破坏以张拉破坏为主，而张拉破坏C 明显比压剪破坏C 值小，而 压剪破坏面相对张拉破坏面光滑，在外荷载作用下前者滑动较大，导致内摩擦角妒 值较小。 3 卸载试验在不同破坏情况下，第一级荷载在初始围压的作用下，与三轴 加载试验变化规律一致；但后三级卸载试验，在瞬时变形量还是蠕变变形量方面， 相对于加载试验轴向和径向方向上增大约5 ％左右，可见卸围压试验中，卸荷试验 变形能力要强于三轴加载试验的变形能力。 4 通过引入损伤演化方程建立了非线性蠕变损伤模型，从而对砂岩蠕变全 过程演化规律进行了描述。通过砂岩蠕变试验曲线与模型曲线的对比充分地说明， 引入能量耗散理论推导的损伤演化方程与岩石蠕变损伤变形规律基本一致。 5 加载初始时刻，外力对岩石做功大多数转化内部弹性能储存，也有少量 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 耗散能释放，岩石从外界吸收总能量、弹性能和耗散能均随着时间推移而增大，总 能量和弹性能增加速率较快；至峰值点时达到最大，但是此时由于岩石内部裂纹和 空洞等缺陷开始大量发育扩展，对于能量的耗散开始急剧增大；另一方面由于在进 行卸围压试验时，并不是从峰值点处开始卸载，而是在峰值8 0 ％～9 0 ％时开始卸载， 此时围压突然逐步减小导致岩石径向变形增大，裂纹和空洞发育消耗更多能量；在 后续工程中由于裂纹和空洞等缺陷发育更加剧烈，产生宏观裂纹并贯通为破坏面， 使得大量能量开始释放。 关键词砂岩；卸载；损伤；最小耗能原理；能量演化 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 A b s t r a c t D e e pr o c ki nh i 曲s t r e s ss t a _ c e ，t h ed e f o m a t i o ne n e r 盱S t o r a g ei t s e l fi sh i 曲，e x p l o i t 撕o no f u 1 1 d e 略r o u n dm i n e r a lr e s o u r c e sa I l du n d e 唱r o u n de n g i n e e r i n ge x c a V a t i o na r ead e e pr o c km a s s d e f o m l a t i o ne n e 曜yr e l e a s ep r o c e s s ，a l l dt h ee X c a V a t i o ns u r f ．a c ei s t l l ep o t e n t i a le n e 略yr e l e a s e d i r e c t i o n ，s ot h i si sa 够p i c a lu 1 1 l o a d i n gp r o c e s s ．A tt h es 锄et i I n et h ec o m p r e s s i V ep r o p e n i e so f r o c ki sf 打g r e a t e rt h a ni t st e n s i l es 仃e n g t h ，e x p a n s i o nd 嘶n gu I l l o a m n gd e f o n n a t i o ni nd i f f e r e n t d i r e c t i o n sa n dd i f f e r e n tm i n i n gf ．a C e ，i st l l ed o m i n a n tf 犯t o rc a l J s i n gt h ed a m a g eo fs ⅢT o l n l d i n g r o c kt h es u H o u n d i n gr o c ks u p p o r t i n gf o rl a t e rc o r r e s p o n d i n gn u r S i I 培．B e c a u s eo ft h ed i 丘．e r e n c e o fm i I l i n gm e t h o d sa I l dm a c h i r l e r yo ft h es u 圩0 u I l d i n gr o c ku I l l o a d i I l gs 觚si sn o tt h es a m e ， l e a d i n gt oe x p a I l s i o nd e f b 肌a t i o no fs u n ．o u I l d i n gr o c kd e f ．0 肌a t i o nc o n 仃o ls u p p o n i n gt h e m y r i a d so fc h a n g e s ，i fi m p r o p e r l y ，m a yc a u s el a n d s l i d e sa I l do t h e ra c c i d e n t s ；t 0t h es a f ea I l d e 旋c t i v ee x c a v a t i o no fu n d e 培r 0 1 m dt u I l I l e l 锄du 1 1 d e 玛r o u I l dm “n go fm i n e r a lr e s o u r C e s ，i ti s n e c e s s a 巧t oc a r 拶o u t 缸曲e rs t u d yo nt h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i c so fr o a d w a ys u n ．o u I l d i n gr o c k l H l l o a d i n g ． I nt h i sp a p e r ，F u x i nH e n g d ac o a lm i n er o a d w a ys u r r o 硼l d i n gr o c k s 甜l d s t o n e a st h e r e s e a r c ho b j e C t ，b yu s i n g ’r I A W 2 0 0 0r o c km e c h a 血c st e s t i n gS y s t e mr e s e a r c ho nu n l o a d i n gc r e e p m e c h a n i s m 龇1 dt h r e ea x i a lc o m p r e s s i o nt e s ti ne r l e r g ye V o l u t i o n ，t h r o u g ht h ei n 们d u c t i o no ft 1 1 e p r i n c i p l eo fm i I l i m u md i s s i p a t i o no fe n e r g yf 而mt l l ee n e r g yp o i n to f V i e wt 0s t u d yt h er o c k d u r i n gt 1 1 ep r o c e s so fu 1 1 l o a d i l l gc r e e pd a m a g ec h a r a c t e r i s t i c sa l l dd 锄a g e ，p r 0 V i d eab a s i sf o rt 1 1 e d e s i g no ft 1 1 er o a d w a ys u n ．0 u l l d i n gr o c ki nd e e pe x c a V a t i o ne n g i n e e r i n g ，t h em a i nc o n C l u s i o n s a r ea sf o l l o w s 1 I nt h et h r e ea X i a lc o m p r e s s i o nt e S t ，t h ea i a l ，r a I d i a la I l dv o l u m e t r i cs t I ．a i n si n c r e a s ew i t h t h ec o n 矗n i n gp r e s s Ⅷ．e ，a n dt h es n I e s s - s t I l a i nc u l v e st e n dt ob es m o o t hn e a rt l l ep ea k ，a I l dt h e s t I a i nh a sn oo b V i o u sp e a ki nt h eu l d o a d i n gt e s t ．I nt h el m l o a d i n gt e s t ，t h er a d i a ld e f 0 胁a t i o no f s p e c i m e n 丘o mt h ee l a S t i cs t a g ei n c r e a s e dr a p i d l y ，t h eg r o w t hr a t ei sf 打g r e a t e rt h a l lt h ea X i a l s 俩nr a t eo fr o c ks p e c i m e nd e f o m a t i o nb yc o m p r e s s i o nc o n V e r s i o nf o re x p a n s i o n ，a n dp e a k s t r a i nc o r r e s p o n d i n gt ot h es t a r t i n gp o i n to ft h ee x p a n s i o n ． 2 T h es a n d s t o n eu n d e rl o a d i n gI m l o a d i n gc o n f i I l i n gp r e s s u r ei sg r e a t e rt h a nt h ec o h e s i o n Ct e s ta I l du 1 1 l o a d i n gt e s to ff i x e da x i sc o n f i n i n gn l eCV a l u eo fl e s st h a I lla X i a lu I l l o a d i n g c o n f i n i n gC ；s a l l d s t o n ei nt h el o a d e ds t a t ei ss m a l l e rt l 姗t h ei n t e m a l 衔c t i o na I l g l eo fu l l l o a d i n g c o I l f i n i I l gp r e s s u r e ，a I l du I l l o a d i n gt e s ti nf i x e da i sc o n f i n i n gp h iV a l u em u s tb eg r e a t e rt h a l llt h e ．T T T ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 v a l u e so fa 【i a lu n l o a d i n g ；c o n s i s t si nl o a d i n gt e s to nr o c kf a i l u r et os h e a rf a i l u r ea 1 1 dt e n s i l e f a i l u r e ．F a i l u r et ou n l o a da n dl o a dt e s t ．t h et e n s i l ef a i l u r ei sm o r eo b v i o u st h a I lCs h e a rCv a l u ei s s m a l l ，a J l dt h ec o m p r e s s i o ns h e a rf 撕l u r es u r f ．a c er e l a t i V et e n s i l e f a i l u r es u r f a c ei ss m o o m ，t 1 1 e l a r g e ru I l d e rl o a dt h ef o m e rl e a d st os l i d i n g ，t h ei n t e r m l 矗i c t i o na n g l e i ss m a l l e r ． 3 U n l o a d i n gt e s t su n d e rd i 仃e r e n tf a i l u r ec o n d i t i o n s ，t h ef i r s tl e V e l l o a di nt h ei n i t i a l c o n f i n i n gp r e s s u 】汜u n d e rt h ea c t i o no f Ⅱl r e e ，c o n s i s t e n tw i t ht h eu n i a x i a ll o a d i n gt e s tc h 趾g e s ； b u t 世e rm et l l r e eg r a d ei nt h e 眦l o a d i n gt e s t ，d e f ．o m a t i o no rc r e e pd e f ．o m a t i o n ，t h ea 【i a la n d r a d i a ld i r e c t i o nr e l a t i v et ot h e1 0 a d i n gt e s to nt h ei n c r e a s eo fa p p r o x i m a t e l y5 ％，V i s i b l e u I l l o a d i n gc o n f i n i n gp r e s s u r et e S t sa n dt h ed e f o 肌a t i o na b i l i 妙o fu 1 1 l o a d i n gt e s t ，d e f o n n a t i o n a b i l 时w a Ss t r o n g e rt h a I lm e 缸。e ea x i a ll o a d i n gt e s t ． 4 B yi n t r o d u c i n gd a m a g ee V o l u t i o ne q u a t i o n ， an o n l i n e a rc r e e pd a I 】诅g em o d e li s e s t 2 L b l i s h e d ，a n dt h ee v o l u t i o nl a wo fc r e e pp r o c e s so fs a n d s t o n ei sd e s c r i b e d ．T h ec o m p a r i s o n b e 帆e e nt h es a l l d s t o n ec r e e pt e s tc u n ，ea n dt h em o d e lc u Ⅳes h o w st h a tt h ed 锄a g ee V o l u t i o n e q u a t i o nd e r i V e d 矗o mt h ee n e r g yd i s s i p a t i o nt h e o r yi sb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ec r e e pd 锄a g e d e f b m a t i o n1 a wo fm er o c k ． 5 T h ei n i t i a ll o a d i n gf o r c em o m e n to fr o c kw o r km o s to ft h ep r o c e s si n t e m a le l a s t i c e n e r g ys t o m g e ，b u ta l s oas m a l la m o u n to fd i s s i p a t e de n e r g yr e l e a s eo fr o c k 丘o mo u t s i d em e t o t a la b s o r b e de n e r g y ，e l a s t i ce n e r g ya n dd i s s i p a t e de n e r g ya r ei n c r e a s e dw i t ht h ep a s s a g eo ft i m e ， t h et o 词．e n e r g ya n de l a s t i ce n e r g yi n c r e a s e df a s t e r ；t h ep e a kp o i n tt ot h em a 【i m 啪，b u tm i st i m e d u et ot h ec r a c ki nr o c ka n dh o l e sb e g a 芏lt oe x p a n dd e V e l o p m e n t ，f o rt h ee n e r g yd i s s i p a t i o n b e g a nt oi n c r e a s es h a r p l y ；o nt h eo t h e rh a l l d ，i nt h eu n l o a d i n gc o n f i n i n gp r e s s u r et e s t s ，a n dn o t f r o mt h ep e a kp o i n to fu n l o a d i n g ，b u tb e g a nt ou n l o a da tm ep e a ko f8 0 ％～9 0 ％，t h ec o n f i n i n g p r e s s u r es u d d e n l yr e d u c e dg r a d u a l l yl e a dt oa ni n c r e a s ei nr a d i a ld e f o r m a t i o na n dc r a c ko fr o c k ． E m p 够d e V e l o p m e n tc o n s u m e sm o r ee n e r g y ；i nt h es u b s e q u e n tp r o j e c td u et oc r a c ka n dc a v 时 d e V e l o p m e n ta r em o r ei n t e n s ea n dm a c r o s c o p i cc r a c k sa I l dt h r o u g hf a i l u r es u r f ．a c e ，t h eA1 a 略e a m o u n to fe n e r g yi sr e l e a s e d ． K e yW o r d s S a n d s t o n e ；u n l o a d i n g ；d a m a g e ；m i n i m u me n e r g yd i s s i p a t i o np r i n c i p l e ； e n e r g ye V o l u t i o n 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 岩石卸荷力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 岩石卸荷能量研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．3 岩石卸荷损伤研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 岩石流变基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．1 岩石蠕变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 岩石介质力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 岩石卸荷力学基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．5 岩石变形破坏能量基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 ．5 ．1 能量形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．5 ．2 能量与岩石破坏之间关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 ．6 本文主要研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．7 本文预期成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 1 ．8 技术路线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 砂岩不同应力路径下压缩试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．1 试验简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．1 ．1 仪器介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．1 ．2 砂岩制备过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 三种条件下卸围压试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．2 ．1 常规压缩三轴试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．2 ．2 升轴压卸围压三轴压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．2 ．3 定轴压卸围压三轴压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．3 砂岩不同卸围压路径下变形破坏特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．3 ．1 应力应变关系分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 ．3 ．2 变形特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．3 ．3 强度特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 砂岩卸荷蠕变特性试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．1 试验方法与步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．1 ．1 试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．1 ．2 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 常规三轴蠕变试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．2 ．1 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．2 ．2 试验结果曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．3 定轴压卸围压试验方案与结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．3 ．1 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．3 ．2 试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．4 定轴压卸围压试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．4 ．1 轴向蠕变特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．4 ．2 径向蠕变特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 ．3 体积蠕变特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．4 ．4 蠕变泊松比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 3 ．4 ．5 等时应力应变曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．4 ．6 蠕变速率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 砂岩卸荷黏弹塑性蠕变损伤本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．1 最小耗能原理表达的损伤及其本构理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 4 4 ．2 基于最小耗能原理的弹性损伤方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．2 ．1 考虑损伤泊松比的弹性损伤方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．2 ．2 弹性损伤方程损伤变量确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．3 基于最小耗能原理的非线性蠕变损伤方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 4 ．3 ．1 非线性损伤本构方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 4 ．3 ．2 模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 砂岩破坏能量演化特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 ．1 岩石能量计算基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．2 砂岩加载破坏能量演化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．3 砂岩卸载破坏能量演化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．3 ．1 岩石卸载能量变化曲线分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．3 ．2 卸荷初始围压对能量演化的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 选题背景与意义 近年来随着社会经济的增长、人们对于矿产资源需求和科学技术的需求日益增 长，矿产开采深度不断增加，由此如何安全高效进行深部开采矿产资源就成为关系 我国经济快速发展的重要课题。虽然我国G D P 总量早已达到世界前列，但是我们经 济增长依然靠着传统工业对资源大量消耗。据不完全统计，国内外开采深度超过千 米煤矿高达百座，国内新汉孙村煤矿最大井下回采深度达1 5 0 0 m ，南非金属矿一般 埋藏深度都在1 0 0 0 m 以下。 由于浅部矿产资源日益稀缺，我们早已把目光投向第二深度空间进行开采，而 深部岩体通常处于高地应力、高温度、高渗流场状态下，且卸荷时与加载状态下岩 石力学性质表现出不一样的力学强度特性①不仅软岩表现出明显的流变性质，而 且像花岗岩这样坚硬的岩石也具有流变效应②低围压下一般服从线性岩土类材料 强度准则，高围压状态下则明显具有非线性特征；③岩石破坏状态随着围压的增加 逐步由脆性破坏转为延性破坏；④各力学强度参数随着围压增加会有一定幅度增 加。深部岩体长期处于高应力状态之下，自身就贮存了较高的变形势能，地下矿产 资源开采和井巷工程掘进等都是深部岩体一个释放变形势能的过程，而开挖工作面 就是势能释放的方向，因此这是一个典型的卸载过程。与此同时岩石的抗压性能远 远大于其抗拉性能，且开采工作面在卸载过程中扩张变形在各个方向上的不同，是 引起围岩损伤破坏的主导因素，也为后期围岩的支护护理提供相应参数。由于开采 方法和机械的差异使得围岩卸载状况不一样，导致围岩扩张变形千变万化，如果控 制变形支护不当，有可能导致塌方等安全事故。 安全有效地开挖地下井巷和开采地下矿产资源，有必要对巷道围岩卸载蠕变特 性进行深一步研究。目前对于围岩卸载特性研究大多是，在高应力状态下岩石的卸 荷力学特性和卸载条件下蠕变特性研究，本文将引入最小耗能原理从能量角度研究 围岩在卸载过程中蠕变特性和损伤破坏。基于材料微观结构缺陷或者结构劣化引起 材料损伤【卜3 】，通过连续性损伤介质力学对岩石流变特性的研究越来越多，使得损 伤变量成为岩土材料结构特征和力学行为特性之间的重要联系变量【a 7 1 。国内外学 者多采用应力应变曲线等效性假设来确定损伤变量【8 叫o 】，由于岩石在变形破坏整个 过程中伴随着能量的积累与消耗，能量耗散可反映岩石微观结构缺陷或者结构劣化 的全过程，因此通过能量来建立损伤方程及其变化规律，更加有利于反映岩石岩体 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的变形破坏行为【1 1 ．1 5 】。在地下工程中， 变和损伤是导致失稳破坏的主要因素， 1 ．2 国内外研究现状 除冲击地压、岩爆等动力灾害外，岩体的蠕 对工程具有重要的意义。 1 ．2 ．1 岩石卸荷力学特性研究 由于矿山井巷掘进和矿产资源开采都是典型的卸载过程，并且高围压卸载是引 起岩石扩张变形和导致围岩失稳破坏的主要因素。因此，开展室内卸荷试验研究就 可以较好地了解围岩卸荷后的力学特性，给予工程开挖指导意义。 S w a n s o n 1 9 7 1 【1 6 】对岩石进行卸压试验研究得出应力路径对岩石强度特性无影 响。 徐松林，吴文等 2 0 0 1 【1 7 】采用大理岩峰前峰后