巖石斷裂失穩(wěn)破壞與沖擊地壓的分叉和混沌特征研究.pdf

1、不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石材料的失穩(wěn)斷裂破壞一直是巖石力學(xué)與工程研究的重點(diǎn)。本文在對(duì)巖石進(jìn)行平面應(yīng)變、常規(guī)三軸和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)及煤巖CT實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用非線性分叉理論、混沌理論對(duì)巖石在斷裂失穩(wěn)過(guò)程中的局部化分叉與混沌特征以及沖擊地壓的混沌特性進(jìn)行了研究。本文的主要研究成果如下： ①根據(jù)許多巖石工程處于平面應(yīng)變狀態(tài)的實(shí)際情況，自行研制了巖石平面應(yīng)變儀，進(jìn)行了巖石平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，并將平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果和常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，不同應(yīng)

2、力狀態(tài)下巖石的失穩(wěn)斷裂表現(xiàn)出不同的本構(gòu)特性，簡(jiǎn)單地將常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到處于平面應(yīng)變狀態(tài)的實(shí)際工程將導(dǎo)致很大的誤差甚至得到錯(cuò)誤的結(jié)論。 ②為研究巖石材料彈性模量的應(yīng)力敏感性，進(jìn)行了不同圍壓和不同應(yīng)力水平下巖石的加卸荷循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，巖石材料的彈性模量表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓硬性特點(diǎn)，同時(shí)與塑性變形耦合，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性性質(zhì)。 ③處于平面應(yīng)變和常規(guī)三軸條件下的巖石在中低圍壓(<40MPa)下均表現(xiàn)為剪切局部化破壞的特

3、征。對(duì)破壞后試件剪切面傾角的測(cè)量結(jié)果顯示，在常規(guī)三軸情況下，剪切面傾角有隨圍壓增加而降低的趨勢(shì)；而平面應(yīng)變情況下試件傾角表現(xiàn)出相對(duì)的穩(wěn)定性，不隨圍壓的變化而變化。 ④根據(jù)巖石的平面應(yīng)變和常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石非關(guān)聯(lián)彈塑性本構(gòu)模型，應(yīng)用變形分叉理論的聲張量法推導(dǎo)了不同應(yīng)力狀態(tài)下的分叉條件。對(duì)不同應(yīng)力條件下巖石分叉的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析表明，常規(guī)三軸條件下，巖石的分叉發(fā)生在材料的應(yīng)變軟化即峰值應(yīng)力出現(xiàn)之后，而

4、平面應(yīng)變條件下，巖石的分叉發(fā)生在應(yīng)變硬化區(qū)，即峰值應(yīng)力出現(xiàn)之前。 ⑤在煤巖 CT 實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究煤巖 CT 數(shù)在不同應(yīng)力水平時(shí)的變化，建立了煤巖CT數(shù)演化的混沌模型。對(duì)該模型的分析表明，煤巖在斷裂失穩(wěn)過(guò)程具有混沌分叉的特點(diǎn)。 ⑥在巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)混沌理論的非線性時(shí)間序列分析方法，對(duì)巖石的聲發(fā)射參數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行了相空間重構(gòu)、關(guān)聯(lián)維分析和最大Lyapunov指數(shù)的計(jì)算。結(jié)果表明，巖石聲發(fā)射時(shí)間序列具有混沌特

5、性，描述不同圍壓下巖石聲發(fā)射參數(shù)演化的最小因子數(shù)大于16，說(shuō)明巖石變形失穩(wěn)斷裂過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)。 ⑦在煤巖CT數(shù)混沌模型和聲發(fā)射時(shí)間序列混沌分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合損傷力學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)理論初步提出了混沌損傷的概念，認(rèn)為巖石變形失穩(wěn)斷裂過(guò)程是一個(gè)混沌損傷的過(guò)程。 ⑧結(jié)合對(duì)煤礦沖擊地壓發(fā)生條件和影響因素的分析，引入單滑塊單狀態(tài)本構(gòu)模型、雙狀態(tài)本構(gòu)模型和雙滑塊模型對(duì)煤礦沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理從非線性動(dòng)力學(xué)的角度進(jìn)行了研究