張量分析在巖石流變中的應(yīng)用

1、巖土工程 劉相如張量分析在巖石流變中的應(yīng)用11巖石流變研究意義主要內(nèi)容2巖石流變研究現(xiàn)狀3巖石流變試驗方法4巖石流變損傷本構(gòu)方程 5結(jié)論21.1 工程背景1 巖石流變研究意義1.2 研究意義31.1 工程背景1 巖石流變研究意義現(xiàn)在我國許多礦井的開采深度已經(jīng)超過800m，最深的超過了1100m。在大采深采條件下，即使中等強度的巷道圍巖，其應(yīng)力狀態(tài)也接近了巖石強度極限，巷道穩(wěn)定性差，很容易因掘進和開采擾動作用而產(chǎn)生變形。41.2 研究意義在深井軟巖條件下，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)處于巖石強度極限鄰域內(nèi)，變形主要是流變，其中擾動變形是其重要組成部分。因此，研究巖石在擾動荷載作用下的流變力學(xué)特性，建立巖石流

2、變損傷本構(gòu)方程，對深井軟巖支護具有重要的工程實用價值。1 巖石流變研究意義52 巖石流變研究現(xiàn)狀近年來，巖石的流變試驗得到了進一步的發(fā)展，取得了一些新的成果。李永盛、夏才初采用伺服剛性機對粉砂巖、大理巖、紅砂巖和泥巖4種不同巖性的巖石進行了單軸壓縮條件下的蠕變和松弛試驗，指出在一定的常應(yīng)力作用下，巖石材料一般都出現(xiàn)蠕變速率減小、穩(wěn)定、增大三個階段，各階段的時間與所觀測的巖石性質(zhì)和所施加的應(yīng)力水平有關(guān)。6金豐年利用伺服控制剛性試驗機，采用應(yīng)力反饋控制方法獲得了多種巖石單軸拉伸試驗的完全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過對巖石單軸拉伸、單軸壓縮及其荷載速度效應(yīng)和蠕變試驗的研究，首次提出了巖石受拉和受壓力學(xué)特征具

3、有相似性的理論觀點。2 巖石流變研究現(xiàn)狀7繆協(xié)興教授綜述評價了巖石裂紋（缺陷）演化及其力學(xué)特性研究的近期進展，內(nèi)容包括微細觀裂紋演化及其力學(xué)特性、時間相關(guān)性、裂紋擴展與巖石破壞，指出深部礦井由于巖石特性的軟化，巖石流變損傷斷裂的研究將是極為重要的領(lǐng)域。2 巖石流變研究現(xiàn)狀82 巖石流變研究現(xiàn)狀試驗表明，巖石的彈性參數(shù)和蠕變參數(shù)并非定值，而是時間的函數(shù)；軟巖的強度和彈模隨時間的延長而降低，且變化規(guī)律具有相似性，這種現(xiàn)象可以用損傷力學(xué)的方法進行描述。93 巖石流變試驗方法該試驗的目的是測試巖石在一定應(yīng)力狀態(tài)下的流變擾動效應(yīng)特性。試驗儀器主要有巖石流變擾動效應(yīng)試驗儀和MTS815.03電液伺服巖石試

4、驗系統(tǒng)。試驗步驟如下：10（1）制作巖石試件，并測試試件的聲波速度，進行試件篩選；（2）試驗測定巖石的長期強度，試驗測定巖石在三軸應(yīng)力條件下的強度極限，給出摩爾強度包絡(luò)線；3 巖石流變試驗方法11（3）進行巖石流變性能試驗測試；（4）在巖石強度極限鄰域內(nèi)的不同應(yīng)力狀態(tài)下，試驗測定巖石在一定擾動荷載作用下的流變擾動增量，進而建立巖石流變本構(gòu)方程。3 巖石流變試驗方法124 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.1 基本方法4.3 本構(gòu)方程4.2 簡化模型13基于含內(nèi)變量的不可逆熱力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)，通過在不可逆應(yīng)變和牛頓時間所構(gòu)成的空間中合理定義廣義時間、引入四階各向異性損傷張量，提出了巖石材料的流變損傷

5、本構(gòu)方程。4 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.1 基本方法144 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.2 簡化模型圖1 損傷本構(gòu)描述機械模型154 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.2 簡化模型為了簡化分析，假設(shè)材料是初始均勻、各向同性和塑性不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)，而忽略實際存在的不均勻、各向異性以及微觀缺陷。164 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.2 簡化模型用圖1 中的系統(tǒng)描述一個材料元的偏量響應(yīng)：偏量彈性響應(yīng)由彈簧（其剛度為宏觀剪切彈性模量 ）描述； 非彈性阻尼器 和彈簧 共同描述第r 個不可逆變形機制。174 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.3 本構(gòu)方程在小變形條件下，有184 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.3 本構(gòu)方程194 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.3 本構(gòu)方程204 巖石流變損傷本構(gòu)方程4.3 本構(gòu)方程215 結(jié)論基于一種簡單的機械模型，通過由不可逆應(yīng)變和牛頓時間所構(gòu)成的空間中，合理定義廣義時間、引入四階各向異性損傷張量，得到了描述巖石材料流變損傷行為的本構(gòu)方程。22巖石是一種天然的地質(zhì)材料，其流變行為、強度和壽命等與微缺陷的萌生、擴展和連接密切相關(guān)，微裂紋的幾何各向異性導(dǎo)致高度局部化的微應(yīng)