岩石蠕变扰动效应与损伤特征理论与试验研究

【摘要】： 不同埋深的巷道，所受应力状态不同，则所处的稳定状态也不相同。当巷道埋深较大时，越接近临界稳定状态；此时较小的扰动便可以导致裂纹的大规模瞬时动力扩展，诱发巷道的失稳破坏。因此，研究岩石的蠕变特性以及岩石在扰动载荷作用下的损伤，建立蠕变扰动效应理论，对深井开采及支护具有重要的意义。本文围绕岩石的蠕变特性和蠕变扰动效应，应用新研制的三轴蠕变扰动仪、MTS和弯曲试验仪，进行了一系列室内试验。论文的创新点和主要结论如下： 通过对岩石低围压分级加载条件下的三轴压缩蠕变试验发现：围压对岩石的强度、破坏形态以及横向、轴向蠕变有明显影响。 在岩石静载三轴蠕变试验基础上，进行了三轴蠕变扰动效应试验。在围压相同情况下，岩石的蠕变损伤与扰动冲击荷载能量有关。 通过试验研究了岩石循环冲击扰动荷载作用下蠕变的变化，进而研究了岩石的重力冲击扰动损伤特性。在围压相同的情况下，岩石的循环冲击扰动损伤与冲击扰动次数和扰动荷载冲量有关。 采用岩石三轴加载和CT专用设备，对岩石蠕变破坏细观机理进行了初步的研究。结果表明岩石蠕变损伤破坏过程是岩石试件的CT数减小、方差增大，岩石发生了脆性破坏。与连续扰动蠕变破坏相比，单次扰动蠕变破坏更具有突发性。在热力学框架内推导了岩石材料的蠕变损伤本构关系。 通过试验研究了灰砂岩梁、红砂岩梁以及油页岩梁的弯曲蠕变及其扰动效应问题。研究表明：受到扰动载荷的岩梁试件断口形态不整齐，断口开裂部位偏离岩梁中性面。考虑到粘弹性蠕变特性，在一定扰动载荷水平的作用下，经历一段时间后，岩梁可出现延迟性蠕变失稳。