采动影响下岩石的变形破坏行为及非线性模型研究
发布时间：2023-08-11 19:33
为了解决工程灾害问题,除了研究工程岩体本身固有力学特性之外,还要考虑多种人为和自然因素对工程岩体的影响,如开采扰动引起的应力场和地质环境等。在巷道或煤层开挖之前,煤层及顶底板围岩处于稳定和平衡的三向应力状态。之后,随着巷道的掘进及煤层的开采,围岩多经受复杂的加载和卸载过程,且不同的掘进和开采方式,产生不同的应力路径和采动影响,进而使围岩的变形、强度及破坏方式不同。在采动影响下,围岩内部裂纹尖端产生应力集中,进而发生起裂、扩展、贯通,逐渐演化成较大的不连续面,引起围岩的变形松动,导致煤层及顶底板围岩的破坏、冒落、片帮,引发矿山灾害。因此,认清这些采动应力路径,并在实验室内根据应力路径进行试验,对于研究采动工程岩体变形破坏机制及工程灾害防治具有重要意义。本文选取煤矿典型砂岩为研究对象,采用实验室测试和理论分析相结合的研究方法,借助X射线衍射仪和高分辨率扫描电镜获得岩石的矿物成分和微细观结构;利用高刚性电液伺服试验机对岩石进行常规单轴和三轴压缩、循环加卸载、不同卸围压速率和不同开采方式下岩石的破坏力学试验,分析了常规加载和不同采动条件下岩石的渐进破坏过程及裂纹演化规律;结合岩石力学、弹性力学...
【文章页数】：190 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 选题背景和研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 常规加载下岩石的破坏力学行为研究
1.2.2 采动影响下岩石的破坏力学行为研究
1.2.3 岩石的渐进破坏过程研究
1.2.4 岩石破坏的应力-应变关系研究
1.3 目前研究存在的问题与不足
1.4 研究内容及技术路线
1.4.1 研究内容
1.4.2 技术路线
2 常规加载下岩石的变形破坏行为研究
2.1 引言
2.2 试验概况
2.2.1 试验试样
2.2.2 试验设备
2.2.3 试验方案
2.3 常规加载下砂岩力学特性分析
2.3.1 常规加载下砂岩的变形特性
2.3.2 常规加载下砂岩的强度特性
2.3.3 常规加载下砂岩的破坏形态
2.4 本章小结
3 采动影响下岩石的变形破坏行为研究
3.1 引言
3.2 试验概况
3.2.1 试验准备
3.2.2 试验方案
3.3 循环加卸载下砂岩的破坏试验
3.3.1 循环加卸载下砂岩破坏试验结果
3.3.2 循环次数对砂岩变形的影响
3.3.3 卸载应力水平对变形的影响
3.3.4 循环加卸载下砂岩的损伤演化规律
3.4 不同卸围压速率下砂岩的破坏试验
3.4.1 不同卸围压速率试验结果
3.4.2 不同卸围压速率下砂岩的变形特性
3.4.3 不同卸围压速率下砂岩的强度特性
3.5 不同开采方式下砂岩的破坏试验
3.5.1 不同开采方式下砂岩破坏试验结果
3.5.2 不同开采方式下砂岩的变形特性
3.5.3 不同开采方式下砂岩的强度特性
3.6 采动影响下砂岩的破坏形态
3.7 采动影响下岩石的冲击倾向性
3.7.1 冲击倾向性概述
3.7.2 采动对砂岩的冲击倾向性的影响
3.8 不同采动影响下砂岩破坏力学特性对比
3.8.1 变形特性对比
3.8.2 强度特性对比
3.9 本章小结
4 采动影响下岩石的渐进破坏过程与裂纹演化规律研究
4.1 引言
4.2 岩石渐进破坏过程的基本表述
4.2.1 基于裂纹体积应变的岩石渐进破坏过程
4.2.2 裂纹应变的计算方法
4.3 常规压缩下砂岩的渐进破坏过程
4.3.1 常规压缩下砂岩的裂纹演化规律
4.3.2 围压对特征裂纹体积应变的影响
4.3.3 围压对特征应力的影响
4.4 循环加卸载下砂岩的渐进破坏过程
4.4.1 循环加卸载下砂岩的裂纹演化规律
4.4.2 循环次数对裂纹应变的影响
4.4.3 循环次数对特征应力的影响
4.5 不同卸围压速率下砂岩的渐进破坏过程
4.5.1 不同卸围压速率下砂岩的裂纹演化规律
4.5.2 卸围压速率对裂纹应变的影响
4.6 不同开采方式下砂岩的渐进破坏过程
4.6.1 不同开采方式下砂岩的裂纹演化规律
4.6.2 开采方式对砂岩特征裂纹参数的影响
4.6.3 开采方式对裂纹起裂应力的影响
4.7 采动影响下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.1 常规压缩下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.2 循环加卸载下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.3 不同卸围压速率下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.4 不同开采方式下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.5 裂纹扩展速率与冲击能量指数的关系
4.8 不同采动影响下砂岩裂纹演化规律对比
4.8.1 裂纹体积峰值应变对比
4.8.2 裂纹扩展速率对比
4.9 本章小结
5 基于裂纹演化的采动岩石非线性模型研究
5.1 引言
5.2 裂纹轴向应变演化规律
5.2.1 常规压缩下岩石的裂纹轴向应变演化规律
5.2.2 循环加载下岩石的裂纹轴向应变演化规律
5.2.3 不同卸围压速率下砂岩的裂纹轴向应变演化规律
5.2.4 不同开采方式下砂岩的裂纹轴向应变演化规律
5.3 基于裂纹轴向应变的岩石非线性模型
5.3.1 基于裂纹轴向应变的岩石裂纹闭合模型
5.3.2 基于裂纹轴向应变的岩石裂纹扩展模型
5.3.3 基于裂纹轴向应变的岩石裂纹张开模型
5.4 加载过程中岩石峰前应力-应变关系模型
5.5 常规加载下岩石峰前非线性本构模型验证
5.5.1 常规加载下岩石的轴向裂纹闭合模型验证
5.5.2 常规加载下岩石的轴向裂纹扩展模型验证
5.5.3 岩石峰前应力-应变关系模型验证
5.6 采动影响下岩石峰前非线性模型验证
5.6.1 循环加卸载下岩石的轴向裂纹闭合和张开模型验证
5.6.2 不同卸围压速率下岩石的轴向裂纹扩展模型验证
5.6.3 不同开采方式下岩石的轴向裂纹扩展模型验证
5.6.4 采动岩石峰前应力-应变关系模型验证
5.7 轴向裂纹演化模型参数讨论
5.7.1 轴向裂纹闭合模型参数讨论
5.7.2 轴向裂纹扩展模型参数讨论
5.7.3 轴向裂纹张开模型参数讨论
5.8 本章小结
6 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 创新点
6.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简介
本文编号：3841627
【文章页数】：190 页
【学位级别】：博士
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摘要
abstract
1 绪论
1.1 选题背景和研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 常规加载下岩石的破坏力学行为研究
1.2.2 采动影响下岩石的破坏力学行为研究
1.2.3 岩石的渐进破坏过程研究
1.2.4 岩石破坏的应力-应变关系研究
1.3 目前研究存在的问题与不足
1.4 研究内容及技术路线
1.4.1 研究内容
1.4.2 技术路线
2 常规加载下岩石的变形破坏行为研究
2.1 引言
2.2 试验概况
2.2.1 试验试样
2.2.2 试验设备
2.2.3 试验方案
2.3 常规加载下砂岩力学特性分析
2.3.1 常规加载下砂岩的变形特性
2.3.2 常规加载下砂岩的强度特性
2.3.3 常规加载下砂岩的破坏形态
2.4 本章小结
3 采动影响下岩石的变形破坏行为研究
3.1 引言
3.2 试验概况
3.2.1 试验准备
3.2.2 试验方案
3.3 循环加卸载下砂岩的破坏试验
3.3.1 循环加卸载下砂岩破坏试验结果
3.3.2 循环次数对砂岩变形的影响
3.3.3 卸载应力水平对变形的影响
3.3.4 循环加卸载下砂岩的损伤演化规律
3.4 不同卸围压速率下砂岩的破坏试验
3.4.1 不同卸围压速率试验结果
3.4.2 不同卸围压速率下砂岩的变形特性
3.4.3 不同卸围压速率下砂岩的强度特性
3.5 不同开采方式下砂岩的破坏试验
3.5.1 不同开采方式下砂岩破坏试验结果
3.5.2 不同开采方式下砂岩的变形特性
3.5.3 不同开采方式下砂岩的强度特性
3.6 采动影响下砂岩的破坏形态
3.7 采动影响下岩石的冲击倾向性
3.7.1 冲击倾向性概述
3.7.2 采动对砂岩的冲击倾向性的影响
3.8 不同采动影响下砂岩破坏力学特性对比
3.8.1 变形特性对比
3.8.2 强度特性对比
3.9 本章小结
4 采动影响下岩石的渐进破坏过程与裂纹演化规律研究
4.1 引言
4.2 岩石渐进破坏过程的基本表述
4.2.1 基于裂纹体积应变的岩石渐进破坏过程
4.2.2 裂纹应变的计算方法
4.3 常规压缩下砂岩的渐进破坏过程
4.3.1 常规压缩下砂岩的裂纹演化规律
4.3.2 围压对特征裂纹体积应变的影响
4.3.3 围压对特征应力的影响
4.4 循环加卸载下砂岩的渐进破坏过程
4.4.1 循环加卸载下砂岩的裂纹演化规律
4.4.2 循环次数对裂纹应变的影响
4.4.3 循环次数对特征应力的影响
4.5 不同卸围压速率下砂岩的渐进破坏过程
4.5.1 不同卸围压速率下砂岩的裂纹演化规律
4.5.2 卸围压速率对裂纹应变的影响
4.6 不同开采方式下砂岩的渐进破坏过程
4.6.1 不同开采方式下砂岩的裂纹演化规律
4.6.2 开采方式对砂岩特征裂纹参数的影响
4.6.3 开采方式对裂纹起裂应力的影响
4.7 采动影响下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.1 常规压缩下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.2 循环加卸载下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.3 不同卸围压速率下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.4 不同开采方式下砂岩的裂纹扩展速率
4.7.5 裂纹扩展速率与冲击能量指数的关系
4.8 不同采动影响下砂岩裂纹演化规律对比
4.8.1 裂纹体积峰值应变对比
4.8.2 裂纹扩展速率对比
4.9 本章小结
5 基于裂纹演化的采动岩石非线性模型研究
5.1 引言
5.2 裂纹轴向应变演化规律
5.2.1 常规压缩下岩石的裂纹轴向应变演化规律
5.2.2 循环加载下岩石的裂纹轴向应变演化规律
5.2.3 不同卸围压速率下砂岩的裂纹轴向应变演化规律
5.2.4 不同开采方式下砂岩的裂纹轴向应变演化规律
5.3 基于裂纹轴向应变的岩石非线性模型
5.3.1 基于裂纹轴向应变的岩石裂纹闭合模型
5.3.2 基于裂纹轴向应变的岩石裂纹扩展模型
5.3.3 基于裂纹轴向应变的岩石裂纹张开模型
5.4 加载过程中岩石峰前应力-应变关系模型
5.5 常规加载下岩石峰前非线性本构模型验证
5.5.1 常规加载下岩石的轴向裂纹闭合模型验证
5.5.2 常规加载下岩石的轴向裂纹扩展模型验证
5.5.3 岩石峰前应力-应变关系模型验证
5.6 采动影响下岩石峰前非线性模型验证
5.6.1 循环加卸载下岩石的轴向裂纹闭合和张开模型验证
5.6.2 不同卸围压速率下岩石的轴向裂纹扩展模型验证
5.6.3 不同开采方式下岩石的轴向裂纹扩展模型验证
5.6.4 采动岩石峰前应力-应变关系模型验证
5.7 轴向裂纹演化模型参数讨论
5.7.1 轴向裂纹闭合模型参数讨论
5.7.2 轴向裂纹扩展模型参数讨论
5.7.3 轴向裂纹张开模型参数讨论
5.8 本章小结
6 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 创新点
6.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简介
本文编号：3841627
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