本文選題：巖石力學(xué)　切入點：極限分析法　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：為進(jìn)一步探索巖石力學(xué)中強度理論與變形破壞規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系,將巖石在動、靜載荷作用下的理論模型與實驗現(xiàn)象統(tǒng)一起來,使理論計算和室內(nèi)實驗更好的應(yīng)用于工程實際。本文依次從準(zhǔn)靜載,沖擊動載和爆炸動載三個方面,通過理論分析和實驗室試驗兩個角度,以統(tǒng)一的極限分析方法開展了巖石強度和損傷特性的研究工作,主要得到以下結(jié)論:基于極限分析原理,推導(dǎo)了常規(guī)單軸壓縮加載時,巖石粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ與單軸壓縮破壞形式之間的理論關(guān)系式。歸納總結(jié)出巖石在單軸壓縮實驗中出現(xiàn)的以剪切應(yīng)力主導(dǎo)的三種典型變形破壞形式,分別為貫穿試件兩端的主剪切面破壞形式、圓錐面加拉伸裂紋破壞形式和軸向拉伸劈裂破壞形式。通過計算巖石剪切破壞面面積,運用極限分析方法,得到了準(zhǔn)靜載下巖石單軸抗壓強度的極限分析上限解:該式說明了巖石宏觀破壞形式與抗壓強度間的對應(yīng)關(guān)系,其中巖石粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ是影響巖石單軸抗壓強度的關(guān)鍵因素。在實驗室完成了取自安徽省張集煤礦的多種巖石單、三軸巖石力學(xué)性能實驗,研究發(fā)現(xiàn):對于每一種巖石試樣,采用三種可能出現(xiàn)的單軸剪切破壞形式進(jìn)行理論計算,得到的結(jié)果與實驗直接得到的巖石單軸抗壓強度相比,二者平均誤差約為10%;對于某一組巖石試樣的單軸壓縮結(jié)果,總能找到相應(yīng)的破裂形式與之對應(yīng),將實際產(chǎn)生的宏觀破壞面積并入計算中,二者的誤差穩(wěn)定縮小至6%左右�；诶碚摲治龊蛯嶒炇以囼�,建立了一種針對Mohr-Coulomb強度理論中粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ取值的反演分析方法。既然準(zhǔn)靜載下巖石強度和變形破壞形式間有穩(wěn)定的相關(guān)性,通過對單軸壓縮結(jié)果的分類計算,可以列出兩組以上包含巖石粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ的二元一次方程,求解該二元一次方程組即可獲得相應(yīng)的未知量。再次,采用取自山西省賈郭煤礦和四川省某采石場的多組巖樣進(jìn)行實驗驗證,對于同一個取芯鉆孔中的巖石試樣,其物理力學(xué)性質(zhì)十分接近,實驗后形成的宏觀破壞形式比較一致,巖石的單軸抗壓強度也與宏觀破壞形式有良好的對應(yīng)關(guān)系。以硅質(zhì)砂巖為例,根據(jù)三軸實驗結(jié)果得到的硅質(zhì)砂巖粘聚力為38.34MPa,內(nèi)摩擦角為40°,采用極限分析法計算得到的硅質(zhì)砂巖粘聚力為36.58MPa,內(nèi)摩擦角為30.83。。所得結(jié)果中二者粘聚力值近乎一致,而采用反演公式計算得到的內(nèi)摩擦角比三軸試驗直接得到的值偏小約10°。分析原因認(rèn)為:粘聚力代表了巖石顆粒間相互粘結(jié)能力的強弱,是巖石本身固有的屬性,兩種方法得到的結(jié)果近似相等。而巖石內(nèi)摩擦角反應(yīng)了巖石的摩擦特性,既包含了巖石發(fā)生摩擦錯動時的表面摩擦力,也包含了巖石內(nèi)部顆粒之間的咬合力。在本次三軸試驗設(shè)計時,主要針對了圍壓小于10MPa的巖石力學(xué)參數(shù)測定,眾所周知隨著圍壓的增加,巖石破壞包絡(luò)線不再沿直線增加,而是逐漸趨于平緩,意味著內(nèi)摩擦角逐漸減小。另一方面,通過計算公式得到的硅質(zhì)砂巖內(nèi)摩擦角代表了在單軸壓縮條件下發(fā)生剪切變形破壞時,巖石破壞面與潛在速度方向間剪脹角的大小。二者含義略有不同,應(yīng)無對錯之分。基于極限分析基本原理,推導(dǎo)了一維沖擊荷載作用下的巖石動態(tài)抗壓強度的極限分析解計算公式,結(jié)合SHPB實驗系統(tǒng)對公式進(jìn)行了驗證。在一維沖擊荷載作用下,巖石試樣在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)呈現(xiàn)可描述的破壞形式,對巖石試樣的動力破壞過程和應(yīng)力波的傳播過程進(jìn)行簡化,以巖石試樣發(fā)生極限破壞、在應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)峰值抗壓強度時作為計算節(jié)點,即可在小變形假設(shè)和理想塑性假設(shè)的前提下,應(yīng)用虛功原理,得到單一試樣在特定破壞形式下的動態(tài)抗壓強度的極限分析上限解:通過與文獻(xiàn)中花崗巖、凍結(jié)紅砂巖和深部砂巖實驗結(jié)果的對比分析,證實了上式對于計算巖石動態(tài)抗壓強度的準(zhǔn)確性。與此同時,基于φ37mm的小直徑SHPB實驗系統(tǒng)開展了沖擊荷載作用下的硅質(zhì)砂巖動態(tài)力學(xué)性能的實驗研究。采用絕對時間法完成了 SHPB實驗系統(tǒng)的波頭起跳點分析和應(yīng)力平衡分析,獲得了以下實驗結(jié)論:在沖擊速度在3m/s到10m/s范圍內(nèi),硅質(zhì)砂巖動態(tài)抗壓強度和破壞應(yīng)變呈線性增長趨勢。隨著沖擊速度的增加,試樣出現(xiàn)了從簡單到復(fù)雜,從單一到多樣的破壞形式,其破壞形式的變化體現(xiàn)了硅質(zhì)砂巖抵抗沖擊破壞的能力。對硅質(zhì)砂巖動態(tài)破壞形式的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn):硅質(zhì)砂巖動態(tài)力學(xué)性質(zhì)同樣與破壞形式有密切的聯(lián)系。對比極限分析上限解與實測動態(tài)抗壓強度可以發(fā)現(xiàn),兩者結(jié)果十分接近,差值變化范圍在10%以內(nèi),考慮巖石破壞時裂紋本身的不規(guī)則性及其他無法避免的誤差,最終結(jié)果是符合要求的。子彈的撞擊是導(dǎo)致巖石發(fā)生破壞的外因,巖石內(nèi)部顆粒的摩擦和開裂是巖石發(fā)生破壞的內(nèi)因,巖石宏觀破壞形式是巖石細(xì)小顆粒間斷裂的外在體現(xiàn)。對硅質(zhì)砂巖動、靜載荷作用下的抗壓強度綜合分析認(rèn)為,小直徑的SHPB試驗系統(tǒng)放大了巖石細(xì)微節(jié)理對動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的影響。巖石作為復(fù)雜多樣的混合體,其強度受結(jié)構(gòu)面和其他物理條件影響較大,在對本文直徑35.0mm、高21.5mm的巖石試樣精加工的過程中,不可避免的造成了巖石的強度損傷。其次,在對應(yīng)力波波形細(xì)致分析后,認(rèn)為反射波波頭處“異常”波峰的存在,可能縮短了試樣中應(yīng)力平衡的時間,加速了硅質(zhì)砂巖試樣的變形破壞,使試樣過早的發(fā)生破裂。基于極限分析基本原理,分析了動態(tài)巴西圓盤劈裂實驗中,楔形剪切破壞區(qū)對實驗結(jié)果的重要性。并對巖石的動態(tài)拉伸實驗彈性解公式進(jìn)行優(yōu)化。在SHPB實驗系統(tǒng)加載的動態(tài)BD實驗中,硅質(zhì)砂巖試樣破壞形式的異同主要體現(xiàn)在:與加載端接觸的試樣兩端有大小、深度不同的壓剪破壞區(qū),在試樣變形破壞逐步加重的過程中,試樣中部始終有明顯的沿加載方向的拉伸裂紋,拉伸裂紋兩側(cè)巖石隨沖擊速度增加伴隨有剝落現(xiàn)象。這些壓剪破壞區(qū)和拉伸裂紋區(qū)共同構(gòu)成了巖石動態(tài)BD實驗的典型破壞現(xiàn)象。以巖石試樣的最終破壞形式建立模型進(jìn)行計算,適當(dāng)簡化巖石的拉、壓關(guān)系,認(rèn)為巖石試樣的破壞符合摩爾庫侖破壞準(zhǔn)則,建立虛功方程,由此得到巖石極限拉伸破壞強度的一個上限解。下式中ft即為不同沖擊速度導(dǎo)致的破壞形式下,巖石在動態(tài)巴西圓盤劈裂試驗中得到的拉伸強度極限分析解。該解考慮了沖擊作用導(dǎo)致巖石動態(tài)破壞形式不同,端部剪切裂紋對拉伸強度測量值的影響,是對沿用至今的彈性解的優(yōu)化和補充。Q=ftlRtan(α+φ)+fclR(1-sinφ)/24sinαcos(α+φ)基于極限分析基本原理,建立了淺埋地層中單孔柱狀藥包的爆破損傷模型。損傷是影響巖石強度的重要因素,在Mohr-Coulomb強度理論的指導(dǎo)思想下,從巖石在爆炸荷載作用下發(fā)生壓剪破壞的角度分析,由于壓應(yīng)力作用下巖石顆粒相對錯動吸收大部分能量,巖石的強度發(fā)生不同程度的削弱,但尚未喪失承載能力,將壓剪變形區(qū)定義為爆炸損傷區(qū)。爆炸損傷區(qū)在二維模型中劃分為中心角為90°的圓弧面,由頂角為△θ的n個剛性三角形區(qū)域組成。在爆炸荷載的輻射下,剛性三角形有以炮孔為中心向地面轉(zhuǎn)動的趨勢,每個剛性三角形間發(fā)生相對錯動消耗能量。爆炸導(dǎo)致的損傷區(qū)內(nèi)能量損耗共有兩種形式:損傷區(qū)內(nèi)巖石相互錯動的摩擦耗能和損傷區(qū)外輪廓線潛在的剪切滑動耗能。由炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波對巖石所做功率等于巖石損傷區(qū)的內(nèi)部能量損耗率建立虛功方程,獲得了巖石單孔爆破損傷模型如下:對理論計算的結(jié)果可以從工程實際中得到驗證,在淺埋地層中,爆破荷載對圍巖有潛在的拋擲作用。離地表越近,松動、拋擲作用越強烈;隨著埋深增加,巖石圍壓及上覆壓力增大,藥包爆破逐漸趨近無自由面巖體的爆破,圍巖對炮孔底部巖石挾制作用愈發(fā)明顯;在深孔柱狀藥包爆破中,圍巖在三維空間中產(chǎn)生與炮孔同心的圓柱狀損傷區(qū)。因此,在埋深增加的過程中,巖石損傷范圍經(jīng)歷了從“爆破漏斗狀”～“圓弧形損傷區(qū)”～“柱狀損傷區(qū)”的轉(zhuǎn)變。從圍巖力學(xué)性質(zhì)、炸藥爆炸性能、柱狀藥包爆破參數(shù)等方面對爆破損傷模型進(jìn)行了驗證,并與已有文獻(xiàn)中數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果證實采用上式計算得到的巖石爆破損傷范圍符合淺埋地層中一般性的炸藥爆炸規(guī)律,與實際工程經(jīng)驗相符。采用小藥量藥包的爆破形式,結(jié)合高精度的損傷測試系統(tǒng)開展了巖石爆破損傷規(guī)律的實驗研究。通過建立一套完備的聲波發(fā)射和損傷測試實驗系統(tǒng),獲得了一定規(guī)格的巖石試樣在小藥量藥包爆破時,三組測試平面的二維損傷分布圖。對實驗結(jié)果的分析可知:在應(yīng)力波傳播過程中,巖石損傷隨距離發(fā)生幾何式衰減,當(dāng)徑向位移增大到一定程度后,損傷衰減趨于平緩至可忽略。巖石損傷程度受裝藥密度、不耦合系數(shù)、裝藥長度等參數(shù)的影響,不同爆破參數(shù)下巖石內(nèi)損傷衰減規(guī)律基本一致。采用立方體的花崗巖試樣進(jìn)行小藥量爆破實驗,得到與圓柱體試樣類似的損傷發(fā)展現(xiàn)象,立方體巖樣中角裂效應(yīng)并不明顯,巖樣的損傷衰減趨勢彼此基本一致。對比理論計算結(jié)果和實驗室實測結(jié)果:從單組實驗來看,采用理論計算得到的巖石爆破損傷半徑隨炮孔藥量增長同步,增長趨勢穩(wěn)定。采用試驗得到的結(jié)果則突變明顯,主要由沖孔或巖石本身損傷等因素造成,屬于正常的試驗誤差;從發(fā)展趨勢來看,兩種結(jié)果均得到近似的斜率,結(jié)果互為驗證。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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