岩石蠕变扰动效应与损伤特征理论及试验研究.pdf

分类号分类号TU452TU452密密级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学学 学 位位位 位 论论论 论 文文文 文 岩石蠕变扰动效应与损伤特征理论及岩石蠕变扰动效应与损伤特征理论及岩石蠕变扰动效应与损伤特征理论及 岩石蠕变扰动效应与损伤特征理论及 试验研究试验研究试验研究 试验研究 付付 志志 亮亮 申请学位级别申请学位级别博士学位博士学位专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名高高 延延 法法职职称称 教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零七年六月二零零七年六月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 岩石蠕变扰动效应与损伤特征理论与试验岩石蠕变扰动效应与损伤特征理论与试验 研究研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 付付付 付 志志志 志 亮亮亮 亮 入学时间入学时间入学时间 入学时间 20032003 年年 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 岩体力学与工程岩体力学与工程 指导教师指导教师指导教师 指导教师 高高高 高 延延延 延 法法法 法 职职职 职 称称称 称 教教授授 刘刘 承承 论论教教授授 肖肖 洪洪 天天教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 200720072007 2007 年年 4 4 4 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 200720072007 2007 年年 6 6 6 6 月月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 THEORETICALTHEORETICALTHEORETICAL THEORETICAL ANDANDAND AND EXPERIMENTALEXPERIMENTALEXPERIMENTAL EXPERIMENTAL STUDYSTUDYSTUDY STUDY ONONON ON EFFECTSEFFECTSEFFECTS EFFECTS OFOFOF OF DISTURBANCEDISTURBANCEDISTURBANCE DISTURBANCE TOTOTO TO ROCKROCKROCK ROCK CREEPCREEPCREEP CREEP ANDANDAND AND DAMAGEDAMAGEDAMAGE DAMAGE CHARACTERISTICSCHARACTERISTICSCHARACTERISTICS CHARACTERISTICS A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of DOCTORDOCTORDOCTOR DOCTOR OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology b b b b y y y y FuFuFu Fu ZhiliangZhiliangZhiliang Zhiliang SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor GaoGaoGao Gao YanfaYanfaYanfa Yanfa CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering JuneJuneJune June 200720072007 2007 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世界 所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈 交于其它任何学术机关作鉴定。 博士生签名博士生签名 日日期期2007 年月日 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of DoctorDoctorDoctor Doctor ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date JuneJuneJune June , , , , 200200200 200 7 7 7 7 山东科技大学博士学位论文摘要 1 摘摘要要 不同埋深的巷道，所受应力状态不同，则所处的稳定状态也不相同。当巷道埋深较 大时，越接近临界稳定状态；此时较小的扰动便可以导致裂纹的大规模瞬时动力扩展， 诱发巷道的失稳破坏。因此，研究岩石的蠕变特性以及岩石在扰动载荷作用下的损伤， 建立蠕变扰动效应理论，对深井开采及支护具有重要的意义。本文围绕岩石的蠕变特性 和蠕变扰动效应，应用新研制的三轴蠕变扰动仪、MTS 和弯曲试验仪，进行了一系列室 内试验。论文的创新点和主要结论如下 通过对岩石低围压分级加载条件下的三轴压缩蠕变试验发现围压对岩石的强度、 破坏形态以及横向、轴向蠕变有明显影响。 在岩石静载三轴蠕变试验基础上，进行了三轴蠕变扰动效应试验。在围压相同情况 下，岩石的蠕变损伤与扰动冲击荷载能量有关。 通过试验研究了岩石循环冲击扰动荷载作用下蠕变的变化，进而研究了岩石的重力 冲击扰动损伤特性。在围压相同的情况下，岩石的循环冲击扰动损伤与冲击扰动次数和 扰动荷载冲量有关。 采用岩石三轴加载和 CT 专用设备，对岩石蠕变破坏细观机理进行了初步的研究。 结果表明岩石蠕变损伤破坏过程是岩石试件的 CT 数减小、方差增大，岩石发生了脆性 破坏。与连续扰动蠕变破坏相比，单次扰动蠕变破坏更具有突发性。在热力学框架内推 导了岩石材料的蠕变损伤本构关系。 通过试验研究了灰砂岩梁、红砂岩梁以及油页岩梁的弯曲蠕变及其扰动效应问题。 研究表明受到扰动载荷的岩梁试件断口形态不整齐，断口开裂部位偏离岩梁中性面。 考虑到粘弹性蠕变特性，在一定扰动载荷水平的作用下，经历一段时间后，岩梁可出现 延迟性蠕变失稳。 关键词关键词CT 测试，蠕变微破坏，蠕变损伤，三轴压缩，扰动效应 山东科技大学博士学位论文摘要 2 AbstractAbstractAbstract Abstract Different depth of roadways under various stresses, and so its stability is different. When depth of roadways is larger, it is closer to critical state, small disturbance can cause rock crack to extend dynamically at instantaneous time, and finally roadways will collapse. Hence, it is of great importance for supporting of soft rock and deep mining to study on creep characteristics and damages of rock under disturbance load and to establish a theory of creep disturbance effects. This dissertation is centered on the study of rock creep and its disturbed effects .In this paper, the disturbance effects of rock creep when the load is approaching its ultimate strength is studied. Tests of creep under triaxial compression and its disturbance effects, rock beam bending,MTS and CT scanning were carried out in indoor laboratory. Achievements of the dissertation are following as, Compared with axial creep,lateral creep is sensitive to confining pressure. Confining pressure have different influence on strength, elastic modulus and damage obviously. On the basis of static loading triaxial creep test, tests of triaxial disturbed creep effects were taken. It can be found that rock creep damages have a relationship with disturbance impact energy under same confining pressure. According to rock creep characteristics under continuous disturbance impact, further study on creep damages characteristics of rock was made. Damages of continuous disturbed impact have a relationship with load impulse and impact times under same confining pressure; Damages of continuous disturbed impact have a relationship with impact times and confining pressure under same load impulse. Confining pressure increase rock strength, decrease damages rate of rock creep. Study on micr-mechanism of disturbed damages was made by CT scanning under step- wise loading conditions. Results show that creep damages is a process of turning plastic into brittle under low confining pressure conditions. Analysis of median surface creep of grey sand stone, red sand stone and oil shale were made that cut-open departure from median surface of rock beam by bending test. KeyKeyKey Key wordswordswords words CT scanning test, creep micro-damage, triaxial compression, disturbance effects 山东科技大学博士学位论文目录 I 目目录录 1 绪论绪论 1 1.1 课题的提出1 1.2 文献综述及国内外研究现状3 1.3 岩石蠕变研究课题中需要进一步研究的问题10 1.4 本文的研究内容、研究方法和主要工作11 2 岩石三轴压缩蠕变试验研究岩石三轴压缩蠕变试验研究 14 2.1 岩石蠕变试验设备与试验方法14 2.2 岩石三轴压缩蠕变试验19 2.3 低围压条件下的岩石三轴压缩蠕变试验24 2.4 本章小结32 3 3 3 3 三轴压缩条件下的岩石蠕变扰动效应试验研究三轴压缩条件下的岩石蠕变扰动效应试验研究 333333 33 3.1 试验仪器与试验方法33 3.2 试验结果与分析36 3.3 岩石蠕变扰动效应损伤方程46 3.4 本章小结47 4 4 4 4 岩石蠕变扰动效应的岩石蠕变扰动效应的本构关系本构关系研究研究 494949 49 4.1 岩石三轴压缩强度49 4.2 低围压对软岩力学特性的影响56 4.3 岩石蠕变扰动效应与损伤的本构关系57 4.4 本章小结61 5 5 5 5 岩石岩石岩石 岩石 蠕变破坏蠕变破坏 CTCT 试验研究试验研究 626262 62 5.1 蠕变损伤微观本构方程62 5.2 岩石蠕变 CT 试验及分析66 5.3 岩石在扰动条件下的蠕变微破坏91 5.4 本章小结93 6 6 6 6 岩梁弯曲蠕变及其扰动效应试验岩梁弯曲蠕变及其扰动效应试验 959595 95 6.1 单级恒载弯曲蠕变试验95 6.2 分级加载静载弯曲蠕变试验97 山东科技大学博士学位论文目录 II 6.3 岩石在弯曲蠕变状态下的扰动试验98 6.4 岩梁弯曲蠕变破坏本构关系101 6.5 本章小结104 7 7 7 7 主要研究成果与结论主要研究成果与结论 105105105 105 致谢致谢致谢 致谢 108108108 108 攻读博士期间发表文章及参加科研项目攻读博士期间发表文章及参加科研项目攻读博士期间发表文章及参加科研项目 攻读博士期间发表文章及参加科研项目