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、不同應力狀態(tài)下巖石材料的失穩(wěn)斷裂破壞一直是巖石力學與工程研究的重點。本文在對巖石進行平面應變、常規(guī)三軸和聲發(fā)射實驗及煤巖CT實驗的基礎上，采用非線性分叉理論、混沌理論對巖石在斷裂失穩(wěn)過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變狀態(tài)的實際情況，自行研制了巖石平面應變儀，進行了巖石平面應變實驗，并將平面應變實驗結果和常規(guī)三軸實驗結果進行了比較。結果表明，不同應

2、力狀態(tài)下巖石的失穩(wěn)斷裂表現(xiàn)出不同的本構特性，簡單地將常規(guī)三軸實驗結果應用到處于平面應變狀態(tài)的實際工程將導致很大的誤差甚至得到錯誤的結論。 ②為研究巖石材料彈性模量的應力敏感性，進行了不同圍壓和不同應力水平下巖石的加卸荷循環(huán)實驗。實驗結果分析表明，巖石材料的彈性模量表現(xiàn)出較強的壓硬性特點，同時與塑性變形耦合，表現(xiàn)出強烈的非線性性質。 ③處于平面應變和常規(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。對破壞后試件剪切面傾角的測量結果顯示，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；而平面應變情況下試件傾角表現(xiàn)出相對的穩(wěn)定性，不隨圍壓的變化而變化。 ④根據(jù)巖石的平面應變和常規(guī)三軸實驗結果，建立了不同應力狀態(tài)下巖石非關聯(lián)彈塑性本構模型，應用變形分叉理論的聲張量法推導了不同應力狀態(tài)下的分叉條件。對不同應力條件下巖石分叉的計算結果和實驗結果的分析表明，常規(guī)三軸條件下，巖石的分叉發(fā)生在材料的應變軟化即峰值應力出現(xiàn)之后，而

4、平面應變條件下，巖石的分叉發(fā)生在應變硬化區(qū)，即峰值應力出現(xiàn)之前。 ⑤在煤巖 CT 實驗的基礎上，通過研究煤巖 CT 數(shù)在不同應力水平時的變化，建立了煤巖CT數(shù)演化的混沌模型。對該模型的分析表明，煤巖在斷裂失穩(wěn)過程具有混沌分叉的特點。 ⑥在巖石聲發(fā)射實驗基礎上，根據(jù)混沌理論的非線性時間序列分析方法，對巖石的聲發(fā)射參數(shù)時間序列進行了相空間重構、關聯(lián)維分析和最大Lyapunov指數(shù)的計算。結果表明，巖石聲發(fā)射時間序列具有混沌特

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，說明巖石變形失穩(wěn)斷裂過程是一個極其復雜的非線性動力系統(tǒng)。 ⑦在煤巖CT數(shù)混沌模型和聲發(fā)射時間序列混沌分析的基礎上，結合損傷力學和耗散結構理論初步提出了混沌損傷的概念，認為巖石變形失穩(wěn)斷裂過程是一個混沌損傷的過程。 ⑧結合對煤礦沖擊地壓發(fā)生條件和影響因素的分析，引入單滑塊單狀態(tài)本構模型、雙狀態(tài)本構模型和雙滑塊模型對煤礦沖擊地壓的發(fā)生機理從非線性動力學的角度進行了研究