動靜組合加載下的巖石破壞特性研究.pdf

1、近幾十年來巖石力學(xué)界的學(xué)者們在研究巖石靜態(tài)加載和動態(tài)加載方面取得了豐碩的成果，對巖石力學(xué)理論與實(shí)踐起了巨大的推動作用。然而，應(yīng)當(dāng)看到以往的這些研究基本限于巖石完全承受靜載荷或完全承受動載荷(含沖擊載荷及擾動載荷，下同)作用的情況，以致靜應(yīng)力與動載荷聯(lián)合作用下巖石變形及破壞特性的研究顯得相對不足。事實(shí)上，在實(shí)踐及自然界中，特別是在深部巖石工程中，巖石在承受動載荷作用之前，已經(jīng)處于高靜應(yīng)力或地應(yīng)力狀態(tài)之中。所以，對靜應(yīng)力與動載荷聯(lián)合作用下的

2、巖石變形及破壞特性展開研究具有重要意義。針對上述問題，本文作者在國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目資助下，以動靜組合加載下巖石破壞特性的研究為課題，就一維和二維動靜組合加載理論與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。 論文作者首先采用低周疲勞加載方法，對紅砂巖在由INSTRON電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)和特制的水平靜壓加載裝置組成的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了一維和二維動靜組合加載試驗(yàn)，研究了組合加載條件下紅砂巖在不同水平靜壓和不同豎向靜壓下受不同頻率和不同幅值動力擾動作

3、用時(shí)的力學(xué)響應(yīng)和破壞特征，為深部巖爆和礦柱等穩(wěn)定性分析提供了理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 在機(jī)理研究方面，分析了一維靜加載巖石在動載作用下的損傷破壞機(jī)理，并根據(jù)等效應(yīng)變假設(shè)，建立了受一維靜加載巖石在動載作用下的彈塑性損傷本構(gòu)模型，并在此基礎(chǔ)上，分析了巖石在不同靜載下的損傷應(yīng)變能釋放率變化規(guī)律；將突變理論引入受一維靜載巖石系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析之中，建立了受一維靜載巖石系統(tǒng)在動力擾動下的非線性動力學(xué)模型；根據(jù)靜力預(yù)加載結(jié)構(gòu)的沖擊屈曲突變理論，建立了

4、靜載巖石系統(tǒng)的沖擊破壞模型，并對一維靜加載巖石系統(tǒng)沖擊破壞的突變模型進(jìn)行了具體分析，發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生突變系統(tǒng)的分叉集不僅是由力學(xué)系統(tǒng)本身的性質(zhì)決定的，還與外部載荷作用有關(guān)。 在本構(gòu)理論方面，采用組合模型研究方法，將統(tǒng)計(jì)損傷模型和粘彈性模型相結(jié)合，建立了一維和多維受靜載荷作用的巖石在動載作用下的本構(gòu)模型－動靜組合加載本構(gòu)模型。 在強(qiáng)度理論方面，用應(yīng)變能密度定義了巖石在動靜組合載荷作用下的破壞準(zhǔn)則，在動靜組合加載本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上

5、，提出了用機(jī)械模型來反映動靜組合加載下巖石單元體彈性的劣化和非彈性變形的產(chǎn)生以及加載速率的影響，根據(jù)機(jī)械模型，求出了受一維靜載巖石在動載作用下破壞的應(yīng)變能密度的臨界值；將突變理論應(yīng)用于分析受靜載的巖石因動力擾動而導(dǎo)致的動態(tài)斷裂的過程，建立了受靜載荷作用的巖石內(nèi)部裂紋在應(yīng)力諧波擾動下擴(kuò)展的雙尖點(diǎn)突變模型，給出了受靜載作用的巖石動態(tài)斷裂新判據(jù)，從幾何角度宏觀描述了裂紋擴(kuò)展的復(fù)雜過程。 在工程應(yīng)用方面，建立了動靜組合加載的巖石破壞的典

6、型例子－洞室層裂屈曲巖爆的突變模型，得出了洞室層裂屈曲巖爆在準(zhǔn)靜態(tài)破壞條件下的演化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，建立了動力擾動下的洞室層裂屈曲巖爆的非線性動力學(xué)模型；以單軸動靜組合加載實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，分析了動靜組合加載巖石破壞時(shí)所釋放的能量的轉(zhuǎn)換，并以此為基礎(chǔ)，在考慮巖爆損傷能量消耗的前提下，對巖爆巖塊彈射速度進(jìn)行了理論近似確定，其計(jì)算方法可供深部有巖爆危險(xiǎn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)參考。 本文所做研究工作，立足于學(xué)科前沿，運(yùn)用最新數(shù)學(xué)力學(xué)方法和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)