不同围压下岩石的能量演化规律及本构模型研究

作     者：薛洋 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晓辉;周济芳

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：大理岩 煤岩 围压 能量演化规律 破坏前兆 本构模型 

摘      要：煤炭资源、水电资源在我国能源体系中占据着重要地位,其开发势必面临地下工程岩体变形破坏、能量释放及耗散所带来的各种问题。随着开采深度的日趋增大,围压效应下的地下工程岩体变形破坏机理趋于复杂,能量演化规律较浅层也有所不同,冲击地压、岩爆等与能量密切相关的灾害现象急需解决。针对两大能源体系地下岩石工程建设,深入研究岩石的能量演化规律,能够更好地服务于我国低碳清洁、安全高效现代能源体系的构建。本文依托国家重点基础研究发展计划973项目和深地科学与教育部重点实验室开放基金项目,选取四川芙蓉白皎煤矿煤岩、锦屏二级水电站大理岩作为两大能源工程建设中的代表岩样为研究对象,利用MTS815岩石力学系统开展不同围压下岩石变形压缩试验,从应力应变曲线、能量演化曲线、阶段性能量、特征应力及其对应耗散能密度等多方面展开岩石随围压变化的渐进破坏过程差异及能量演化特征规律探讨。进而依托两种岩石不同围压下的能量耗散比、弹耗比、耗散率变化规律,围绕岩石渐近变形破坏全过程的能量演化特征,提出不同围压下岩石的能量破坏前兆判据,最后考虑围压和岩性两种因素提出相应的能量损伤本构方程,为水利工程建设、能源工程开采的安全、高效、灾害防控等提供合理、必要的理论依据和工程指导。主要获得以下研究结果:（1）基于不同围压下煤岩、大理岩的静态压缩试验,获取煤岩和大理岩的应力应变曲线和能量演化曲线。将应力应变曲线划分为压密阶段、线弹性阶段、塑性屈服阶段和峰后破坏阶段四个阶段,并进一步讨论围压对弹性模量、抗压强度、峰值应变及应力应变曲线等力学性质的影响。随着应变增加,岩石弹性能先增加再减小,耗散能先缓慢增加后增加速度加快。随着围压增加,岩石的弹性能、耗散能、总能量均有明显提升。（2）煤岩和大理岩的能量耗散比变化规律为先增加-再减小-再增加-最后逐渐变缓,呈现出明显的渐进破坏特征。基于耗散比的转折突变点从能量角度提出岩石特征应力点确定方法。研究表明围压对岩石渐进破坏过程中的能量特征影响显著。随着围压增大,煤岩和大理岩的闭合应力、损伤应力、峰值应力呈线性增长,特征应力对应的能量耗散密度均呈幂指数增长。对比两种岩性岩石渐进破坏过程中的能量特征可以发现,围压对能量耗散的提升作用在煤岩中主要发生在峰值损伤应力前,而在大理岩中主要发生在损伤应力点后。（3）根据能量确定的特征应力点,将岩石峰值应力前能量划分为三个阶段。随着围压增大,煤岩和大理岩各阶段能量耗散密度增量均呈幂指数关系增长,表明围压增强了煤岩和大理岩渐进破坏各阶段中的能量耗散能力。进一步对比煤岩和大理岩三个阶段的能量增量,在0MPa下,煤岩耗散能密度增量第三阶段第一阶段第二阶段,大理岩阶段性耗散能增量第三阶段第二阶段第一阶段,硬岩在岩石渐进破坏各阶段耗散的能量均大于软岩在各阶段耗散的能量。在25MPa下,煤岩耗散能密度增量第二阶段第三阶段第一阶段,大理岩阶段性耗散能增量第三阶段第二阶段第一阶段,在岩石渐进破坏过程中第一阶段和第二阶段的能量耗散密度增量大于硬岩,而在第三阶段能量耗散密度增量小于硬岩。这表明岩性对岩石各阶段的能量耗散有着重要影响。（4）基于岩石的能量耗散比曲线、能量弹耗比曲线、能量耗散率曲线,深入分析围压对两种岩石能量演化规律的影响。随着轴向应变的增加,煤岩和大理岩能量弹耗比变化规律为先增加-再减小-再增加-最后线性增加,能量耗散率的变化规律主要体现在能量耗散率水平和峰值波动两个方面。随着围压增加,围压与岩石峰前能量耗散率水平、特征应力点对应的弹耗比和耗散比呈正相关,与弹耗比线性斜率呈负相关。对比相同围压下两种岩性岩石的能量演化特征可以发现,煤岩的闭合耗散比大于大理岩,各阶段中能量耗散率水平和波动峰值均小于大理岩。煤岩和大理岩能量耗散率在平静区间内的变化规律不同,煤岩能量耗散率呈线性增长,而大理岩呈稳定趋势。（5）定义岩石能量耗散比和弹耗比曲线的转折点为岩石破坏的能量前兆点P1、P2,进一步提出以能量耗散率平静区间的起点作为为破坏前兆点P3,探究不同围压下煤岩和大理岩能量破坏前兆点应力及应力归一化值的差异。研究发现随着围压增加,P1、P2、P3对应的应力均值逐渐增加,而应力归一化值得变化规律较复杂。两种岩性岩石P3的应力归一化值范围整体上相差不大,表明基于能量耗散率确定的破坏前兆点在不同岩性岩石中具有较好的普适性。（6）基于能量理论和损伤理论,推导了岩石的能量损伤方程,构建了岩石的能量损伤本构模型,并通过与室内试验结果对比验证了本文提出模型的合理性及适用性。结果表明,该本构模型理论计算结果与试验结果的吻合程度较高,模型参数与围压和岩性有着密切关系,基于能量理论构建的损伤本构模型可以较好地反映岩石破坏过程中的力学性质及能量特征。