冲击扰动下的大理岩蠕变特性试验研究

作     者：郑葳 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张于晔;顾琳琳

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：大理岩 岩石蠕变 冲击扰动 蠕变特性 本构模型 

摘      要：随着经济发展和国防建设需要,岩体工程逐步转入深地。深部岩体由于长期处于高地应力的环境中,往往具有较强地流变性,严重影响了岩体的长期稳定。在岩体工程中,岩体通常会受到爆破开挖等外部扰动荷载的影响,爆破活动会导致岩体内部微小裂缝的开展和损伤累积,导致岩体的蠕变状态发生改变,最终诱发岩体的失稳破坏。目前,在岩体蠕变特性方面,国内外已有大量学者进行了一系列的研究,并取得了丰硕的研究成果,但对于岩石蠕变扰动效应的研究还不够成熟,有待进一步研究。本文以天然大理岩试样为研究对象,对经过声波检测筛选后的大理岩试样进行了单轴抗压强度试验、单轴压缩蠕变试验和单轴压缩条件下的冲击-蠕变试验。基于元件模型理论以及蠕变试验数据,构建了大理岩非线性蠕变本构模型和大理岩冲击扰动蠕变损伤模型,利用1st-Opt数学优化软件对试验数据进行拟合与模型参数识别。本文主要工作和研究成果如下: (1)对试样进行单轴压缩条件下的分级加载蠕变试验和不同恒定荷载下的单独加载蠕变试验。试验结果表明,大理岩试样的长期强度约为其单轴抗压强度的67.54%～75.99%;在相同的蠕变时间中,处于较高蠕变应力条件下的试样才会出现加速蠕变阶段;随着蠕变应力的提高,应力加载过程中产生的瞬时变形以一定比例增长,并且大理岩试样的蠕变变形特征越发明显。 (2)对试样进行了不同蠕变应力以及不同冲击荷载下的冲击-蠕变试验。试验结果表明,当蠕变应力或冲击能量较小时,试样的硬化程度随着冲击次数的增加而逐渐提高;只有在较高的蠕变应力以及足够大冲击能量的作用下,冲击扰动才能诱发岩石试样的失稳破坏,并且冲击能量越大,试样破坏越迅速;蠕变应力越高或施加的冲击荷载越大,冲击对试样造成的直接损伤越明显。 (3)对冲击过程中的能量演化规律进行了分析,结果表明,对同一试样而言,随着累积输入的冲击能量的增加,冲击能量转化为弹性能的比例增加,耗散能占比逐渐减少,产生的塑性变形不同程度的降低。蠕变应力水平越高或单次输入的冲击能量越大,试样对冲击能量的利用率越低,冲击能量的耗散比率越高,产生的塑性破坏越多。 (4)基于元件模型理论和蠕变曲线的变化特征,在经典Burgers模型的基础上引入了非线性粘塑性模型和损伤变量,构建了大理岩非线性蠕变本构模型和冲击扰动下的大理岩蠕变损伤模型;利用1st-Opt软件中的Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法拟合了试验数据,得到了本构方程中的参数并且验证了所建模型的合理性。