资源描述：
分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ U D C 十南 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 警 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目⋯⋯⋯⋯金川．三砬区运部岩丕⋯⋯⋯⋯． ⋯⋯⋯⋯．螭变与拾弛特性研究⋯⋯⋯⋯ 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯⋯岩⋯土～王一程⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯．郑⋯欣⋯壬⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯⋯萤一⋯一耋攮⋯⋯⋯⋯⋯． 分类号U D C 硕士学位论文 金川二矿区深部岩石 蠕变与松弛特性研究 密级 R e s e a r c ho nC r e e pa n dR 电l a x a t i o n P r o p e r t i e so fD e e p R o c kM a s s e si nJ i n c h u a nN o ．2M i n i n gD i s t r i c t 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期 郑欣平 岩土工程 资源与安全工程学院 曹平教授 答辩委员会主席薹盔歪 中南大学 2 0 1 1 年11 月 原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名缔刷夕I1一日期盖1 1 年且月4 日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。⋯名仟翩龋许嗍雄心尹 中南大学硕士学位论文摘要摘要随着经济的快速增长，科技日新月异的进步，为满足人类对资源和生产空间的需求，人们在不断地往空间上部高层发展，同时地下空间的开发也向深部推进。尤其矿业资源的开采由浅部资源转向深部资源，而深部岩体工程具有高地应力、高温、高渗透的特点，往往呈现出较明显的流变特性。同时深部岩石长期浸泡于地下水当中，水溶液可从微细观上改变岩石介质的矿物组成与晶架结构，使其产生空隙、溶蚀裂隙等缺陷，影响其渗透率与孔隙压力，进而从宏观上改变其强度和刚度等力学性质，使得岩石的性质更加不稳定，加速围岩的破坏，造成人员财产损失。本文采用试验研究和理论分析相结合的方法，对金川二矿区深部岩石的基本力学特性与流变性质进行探讨，重点对岩石在自然状态下与饱水状态下进行蠕变试验和松弛试验研究，从宏观上分析水对岩石流变性质的影响，并根据试验结果引用了能反映深部岩石流变特性的非线性黏弹塑性流变本构模型。本文主要研究内容及结论如下 1 从金川二矿区深部采集岩石样本，加工成标准试件，对试件进行了单轴压缩和剪切试验、膨胀试验等基本试验。分析了试件的抗压强度、变形模量及泊松比的变化规律以及岩样的变形特点、强度特征和破坏规律，得到了岩石试样的基本力学参数。 2 以金川二矿区深部岩石为研究对象，采用分级增量循环加卸载方式，进行岩石试样在自然状态和饱水状态下的蠕变试验。根据蠕变试验所得曲线和数据，按照可恢复的瞬时弹性应变、滞后粘弹性应变、不可恢复的瞬时塑性应变与粘塑性应变进行数据分析和整理，得出了深部岩石在高应力条件下的流变特性。 3 采用分级增量加载方式对金川二矿区深部岩石进行自然状态下和饱水状态下的松弛试验。根据试验结果发现松弛曲线包含连续型应力松弛曲线和非连续阶梯型应力松弛曲线两种。并对应力松弛特征参数进行分析，发现随着应变水平的逐级提高，初始应力速率、初始应力值、剩余应力值和应力松弛量逐渐增加，但剩余应力比逐渐下降。 4 引入带有应力阀值，能描述非线性加速蠕变过程的非线性黏弹塑性流变模型。采用阻尼最小二乘法根据模型方程对蠕变试验曲 中南大学硕士学位论文 摘要 线和松弛试验曲线进行拟合，可获得各分级参数。试验曲线和理论曲 线能较好吻合，说明此模型能较合理地描述金川二矿区深部岩石的蠕 变特性和松弛特性。 关键词深部岩石，蠕变特性，松弛特性，自然状态，饱水状态，非 线性黏弹塑性本构模型 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T 晰t 1 1t h ee x p a n d i n ge c o n o n l ya n d 铲e a tp r o 铲e s si ns c i e n c ea 1 1 d t e c l u l o l o g yi no u rc o u n t Ⅸi np u 印o s eo fm e e t i l l gm en e e d sf o rr e s o u r c e s a n dp r o d u c t i o ns p a c e ，h Ⅶ[ I l a nb e i n g sa r ee x p l o r i n gh i 曲e rr o o mi ns p a c e a sw e Ua sd e e p e rr o o mi nu n d e r 鲈o u n ds p a c e ．E s p e c i a l l yi nm ec a s em a t e x c a v a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e ss t a r t s 矗o ms 1 _ l p e r f i c i a lp a nt od e 印p a r t ． H o w e V e r ，d e 印r o c km a s s e sh a v ec h a r a C t e r i s t i c so fh i 曲伊o u l l ds 骶s s ， h i 曲t e n l p e r 绷J r ea 1 1 dh i 曲p e m e a b i l i 吼、池i c hb e h a v eo b V i o u sr h e 0 1 0 9 y i nc o m m o n ． M e 诫i l e ，d e 印 r o c k m a s s e s ，、Ⅳh i c h a r es o a l e di n u n d e 玛r o u l l dw a t e rf o ral o n gt i m e ，c a nb ec h a n g e db ya q u e o u ss 0 1 u t i o n m i c r o s c o p i c a l l yi I lm i n e r a lc o n s t i t u e n ta n dm a s kp a t t e ms 仃u c t u r e ，a R e r 、Ⅳh i c hi n t e r s t i c e sa n dd i s s o l u t i o nc r a c k sa r ef o u I l di nr o c km a s s e s ，a n d t h e yb o m h a V ei n n u e n c eo ns e e p a g er a t e 趾dp o r ep r e s s u r ea n dc h a n g e t 1 1 em e c h a m c a l p r o p e r t i e ss u c ha ss t r e n g ma n ds t i f m e s so fr o c km a s s e so n t h eV i e wo fm a c r o s c o p i c ．A tt 1 1 es a m et i m e ，t 1 1 e yw i l lr e s u l ti I lu n 鳓l b l e d e 印r o c km a s s e sa 1 1 da c c e l e r a t em ef a i l u r eo fw a Ur o c ka 1 1 dl e a dt om e b o d i l yi 1 1 j u 巧o rp r o p e r r t yd 锄a g e ． T h ep 印e rc o n l b i n e se X p e r i m e n t a ls t u d y 趾dm e o r e t i c a l 趾a l y s i sa I l d r e s e a r c h e si n t ob a s i cm e c h a I l i c a la 1 1 dr h e o l o g yp r o p e r t i e so fd e 印r o c k m a s s e si nJ i n c h l l a nN o ．2m i n i n g2 u r e aa n df o c u s e so nc r e e p 趾dr e l a x a t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d y o fr o c km a s s e so nc o n d i t i o n so fn a t u r a la n d w a t e r - s a t u r a t e ds t a t e s ．T h ep a p e ra n a l y z e sm ei 1 1 n u e n c eo fw a t e ro n r h e o l o g yo fr o c km a s s e sm a c r o s c o p i c a l l y 趾d 砷∞d u c e sm er h e o l o g y f o u n d a t i o nm o d e lw h i c hc a nr e f l e c tn o l l l i n e a u rv i s c o ．e l a s t i cp l a s t i c i t yo f d e e pr o c km a s s e s ．T h em a i nc o n t e n t si nt h i sp 印e ra r el i s t e da sf o l l o w s 1 C o l l e c td e e pr o c ks a m p l e si nJ i n c h u a nN o ．2m i n i n ga r e a ， p r o c e s sm e m i n t os t a n d a r dt e s tp i e c e sa 1 1 dd ob a s i ct e s t ss u c ha s Ⅲa 【i a l c o m p r e s s i o nt e s t ， s h e a rt e s ta n ds w e l lt e s t ．A n dt 1 1 e n a n a l y z e t 1 1 e r e g u l a r i t yf o rc h a n g eo fc o r n p r e s s i V es t r e n g m ，d e f o m a t i o nm o d u l u sa n d P o i s s o n ’sr a t i omt e s tp i e c ea n da l s o 咖d ym ed e f o 眦a t i o nf e a t u r e s ， s t r e n g mc h a r a c t e r i s t i ca n df a i l u r el a wo f r o c ks a n 叩l e s ，a f b e r 、v h i c hb a s i c m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ． I I I 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T 2 C r e e pe x p e r i m e n t so nd e e pr o c ks a n l p l e su n d e rc o n d i t i o n so f n a t u r a la n dw a t e r _ s a t ll r a t e ds t a t e sa r ec o n d u C t e du s i n g 瑚【u l t i ．s t e p i n c r e m e n t a l1 0 a d i n ga n du 1 1 1 0 a d i n gm e t h o d ．A c c o r d i n gt ot 1 1 ec w V e sa n d d a t a 丹o mc r e e pe x p e r i m e n t s ，m a k ed a t aa n a l y s i sa n dd a t ac l e a n s i n gi 1 1 t e n 1 1 so fr e c o v e r a l b l ei n s t a n te l a s t i cs t r a i n ，h V s t e r e s i sv i s c o ．e l a s t i c p l a s t i c i 劬u m e c o V e r a b l ei n s t 乏m ta n e l a s t i cs t r a i na n dV i s c o - p l a s t i cs 舰i n ， a n dt l l e no b t a i nr h e 0 1 0 9 yf e 狐l r e so f d e 印r o c km a s s e su n d e r h i 曲s 仃e s s ． 3 R e l a x a t i o ne x p e r i m e n t so nd e 印r o c ks 甜n p l e su n d e rc o n d i t i o n s o fn a t u r a la n dw a t e r - s a t u r a t e ds t a t e s2 u r ec o n d u c t e du s i n gm u l t i ．s t e p i n c r e m e n t a l l o a d i n gm e t l l o d ．T h er e s u l t so fm ee x p e r i m e n ti n d i c a t em a t c o n t i n u o u sr e l a x a t i o nl a wa n dn o n ．c o n t i n u o u s1 a d d e r - 帅er e l a x a t i o n1 a w a r ef ．o u n dt b ．o u g hr e l a x a t i o nc u r v e s ．F r o mt h ea n a l y s i so fr e l a x a t i o n s 臼e s sp a r a m e t e r s ，i tc a nb ef o u l l d 也a tw i t l lm ei n c r e a s eo fs t r a i nl e v e l s ， i 1 1 i t i a ls t I ．e s sr a t e ，m i t i a ls 仃e s sv a l u e ，s t e a d ys t r e s sv a l u ea n dr e l a x a t i o n a m o u n to fs t r e s si n c r e a s ea n dm e a n 、v h i l es t e a I vs t r e s sr a t i od e c r e a s e s ． 4 I n t r o C l u c eaf ．o u n d a t i o nm o d e lw i ms t r e s s Ⅱ1 r e s h o l d 、v h i c hc a n d e s c r i b en o n l i l l e a rV i s c o - e l a s t i c p l a s t i c i 够 o fd e e pr o c km a s s e si n n o l l l i n e a ra c c e l e r a t e dc r e 印 p r o c e s s a n d a d o p td 甜n p e dl e a s ts q u a r e m e t h o dt of i tc r e e pa n dr e l a X a t i o nc u Ⅳe si nt e r m so fm o d e le q u a t i o n s ， a R e r 、v h i c he a c hv a l u ep a r 觚1 e t e rc a nb eg o t ．T b s tc u 【．v e sa n dt h e o r e t i c a l c u r v e sc a l lf i tw e l l ，、Ⅳh i c hs h o w sm a tt 1 1 em o d e li sa b l et od e s c r i b ec r e e p a n dr e l a x a t i o nf e a t u r e so fd e e pr o c km a s s e sw e l li nJ i n c h u a nN o ．2m i n i l l g a r e a ． K E YW O R D S d e 印r o c km a s s ，c r e e pp r o p e 啊；r e l a X a t i o np r o p e 啊； n a t u r a ls t a t e ，w a t e r ．s a t u r a t e ds t a t e ，n o n l i n e 2 u rV i s c o - e l a s t i c - p l a s t i cm o d e l I V 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 深部岩体的力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 岩石流变特性的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．3 岩石流变本构模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 本文研究的主要内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 第二章岩石流变理论概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 2 ．1 岩石流变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 ．1 蠕变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．2 松弛特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．3 长期强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 2 ．1 ．4 岩石的疲劳特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 岩石流变本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．2 ．1 流变模型基本元件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．2 ．2 元件组合模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 ．3 非线性元件模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．2 ．4 经验模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．2 ．5 内时模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．2 ．6 岩石的蠕变损伤断裂模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 第三章单轴压缩蠕变试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 金川二矿区深部岩石基本力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．1 ．1 岩石的物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 ．2 岩石的强度特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 ．3 岩石的膨胀性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 蠕变试验目的与方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．2 ．1 蠕变试验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．2 ．2 试验装置及试样制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．2 ．3 试验方案与步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 中南大学硕士学位论文目录 3 ．3 蠕变试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 8 3 ．3 ．1 分级加卸载应变与时间的曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．3 ．2 试样数据整理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．3 ．3 蠕变速率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 8 第四章单轴压缩松弛试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．1 松弛试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．1 ．1 试验装置及试样制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．1 ．2 试验方案与步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．2 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．2 ．1 松弛试验应力．时间曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．2 ．2 应力松弛特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．2 ．3 应力松弛速率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 第五章深部岩石流变本构模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．1 深部岩石流变模型辨析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．2 非线性黏弹塑性流变模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 5 ．2 ．1 非线性黏塑性体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．2 ．2 非线性黏弹塑性流变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 非线性黏弹塑性流变模型拟合及参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 5 ．3 ．1 流变模型参数拟合的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．3 ．2 非线性黏弹塑性流变模型蠕变试验拟合结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．3 ．3 非线性黏弹塑性流变模型松弛试验拟合结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．1 本文研究内容总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 6 ．2 今后研究工作的展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯．．8 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 研究目的与意义 第一章绪论 人类主要在地球表面的岩体圈内进行各种工程活动。为了防止岩体工程灾害 的发生，更好地为人类服务，人们从不同的方向、不同的角度研究和揭露与人类 活动密切相关的各类岩体的物理力学特性。在岩体力学领域中，对岩石流变特性 的研究引起了人们广泛的兴趣。岩石的流变性是指岩石的应力．应变关系随时间 增长而变化的性质，主要包含蠕变、应力松弛、长期强度、弹性后效、滞后效应 等方面内容。岩石流变学是研究岩体应力应变状态随时间增长而变化的规律，并 归纳总结出能全面反映岩体属性的本构关系，用以解决实际工程中所遇到的与岩 石流变有关问题。工程实践中常遇到岩体因流变现象而破坏的情况，如岩体边坡 长期沿某一软弱结构面滑移通常会引起突发性的大滑坡，从而使矿山、水工建筑 物等遭受损失；地下建筑物由于围岩变形随时间的变化，可能会引起衬砌破坏等。 尤其对于不良地质条件下的岩体工程建设，只有掌握了岩体的流变特性，才能做 出合理的工程设计，安全地对进行施工和经济地进行维护和管理。 随着科技日新月异的进步，为满足人类对资源和生产空间的需求，人们在不 断地往空间上部高层发展，同时地下空间的开发也向深部推进，使得地下工程所 需面对的工程环境越来越复杂。根据不完全统计，国内外已有8 0 多个矿山的开 采深度超过1 0 0 0 m ，其中南非A n 9 1 0 9 1 0 d 有限公司的西部深井金矿开拓深度已突 破3 7 0 0 m ，印度K 0 1 a r 金矿区也实现了在3 2 6 0 m 处进行开采，俄罗斯的克里沃罗 格铁矿区的开采深度达1 5 7 0 m ；我国沈阳采屯煤矿开采深度为1 1 9 7 m ，开滦赵各 庄煤矿开采深度为1 1 5 9 m ，冬瓜山铜矿开采深度超l 0 0 0 m 。此外，正在兴建及即 将新建的大型水利工程、抽水蓄能工程以及南水北调工程等都与兴建超大规模地 下洞室群和深埋超长距离的地下隧洞工程相关，多数需要埋藏深度在5 0 0 m 以下。 国家战略能源储备中大型地下储气库及导弹的首要指挥工程都建于地下深部，以 获得高防护能力，例如美国北美防空司令部为抵御精确打击将指挥中心建在深部 地下空间中。 深埋地下工程具有高地应力、高渗透水压、高地热等特点，使其在工程设计 施工中需要面对新的不同于浅埋工程的岩石力学问题，例如岩体的脆性一延性转 化、岩体性质改变、变形能的聚集与突然释放、卸荷下的脆性破坏、围岩分区破 裂化等。在矿山开采或支护时，一般认为优质岩石不会产生明显的流变现象，但 在深部条件下情况有所不同，具有较强的时间效应，表现为明显的流变。 中南大学硕士学位论文第一章绪论金川有色金属 集团 公司【5 。7 】是目前国内最大的镍生产基地，金川地区的矿山经过几十年的开采，浅部资源已逐渐枯竭，地下开采的深度越来越大。目前，金川二矿区地下基建已达8 5 0 m 水平，距离地表约l 0 0 0 m ，而实际采场也达到了1 0 0 0 m 左右。工程建设中不可避免地会遇到由深部条件所控制或者诱发的问题。具体表现为，新掘巷道最短会在2 ～3 天内发生侧邦、顶板的开裂，整体规格缩小的现象；在使用期间，常因隧道围岩与支护系统间的相互流变作用，而产生过大的变形甚至围岩破坏，需多次返修。金川矿区的巷道及其围岩的稳定性是项目开展的难题，极大地限制了金川矿区的开发建设。若岩体发生流变现象，则可能导致隧道变形过大及衬砌结构破坏等问题。因此研究金川矿区深部岩石的力学特性和岩石流变效应显得十分重要，为巷道及硐室的稳定性和支护系统设计提供理论依据。1 ．2 国内外研究现状1 ．2 ．1 深部岩体的力学特性研究深部开采工程岩石力学是指在进行深部资源开掘过程中而引发的与巷道工程及采场工程相关的岩石力学问题。工程灾害的严重程度与开采深度呈正比关系，伴随着开采深度的增加，巷道围岩变形增大、矿压显现加剧、地温升高、流变现象显著等，使得深部开采工程的稳定性难以得到保证，甚至危及整个岩体工程的安全。从2 0 世纪8 0 年代开始，国外研究学者就已经对深部岩石力学问题的进行探索研究。1 9 8 3 年，原苏联的权威学者设立专题研究了超过1 6 0 0 m 的深 煤矿井开采所遇到的问题。1 9 8 9 年国际岩石力学学会在法国组织召开了关于“深部岩石力学“ 问题的专题会议，并出版了相关的著作。在国内，矿业工程中的开滦赵庄煤矿、金川镍矿等，许多重要岩体工程均受到高应力不同程度的困扰。何满朝等I lo ’1 1 】针对处于复杂力学环境的深部岩体工程，通过深入研究深部工程中岩体的非线性力学特征，对“深部”这一概念进行了定义，即随着开采深度递增，岩体开始呈现非线性力学现象的深度及其以下的空间。在此概念的基础上，确定了临界深度的力学公式和模型，初步建立了关于深部工程的评价标准。蒋斌松等u 2 J 证明岩体的蠕变变形会出现混沌行为，并应用混沌方法分析了深部围岩稳定性问题。谢和平【l 习从微观角度，建立了岩石破坏过程中裂纹扩展的分形模型，并将此模型引入到岩石的非线性力学行为中。黄润秋【1 4 】针对西南地区河谷高边坡的应力分布特征，阐述了“驼峰应力分布”基本模式，重点讨论了河谷高边坡破坏体系的形成机理与基本规律。陈景涛【1 5 】以高地应力下的花岗岩为研究对象，通过一系列真三轴压缩试验并结合声发射监测，分析推断出了适用于该硬岩在高2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 地应力下的变形特征、强度准则及破坏机制。 脆- 延转化是岩石在高温和高压作用下表现出的一种特殊的变形性质，岩石 在不同围压作用下表现出不同的峰后特性，在较低围压下表现为脆性的岩石可以 在高围压下转化为延性，因而深部高围压条件下岩石破坏常伴随有较大的塑性变 形。P a t e r S o n 【l6 j 进行了室温下大理岩试验，证明了随围压增大岩石变形行为逐渐 由脆性向延性转变的特性。岩石的脆性破坏仅存在极少量的永久变形或塑性变 形，而岩石的延性破坏伴有较大的永久应变。因此，文[ 1 7 ，1 8 】用分别以岩石破坏 时的应变值、应力和强度关系两个角度提出了脆一延转化判别标准，文[ 1 7 ] 认为 发生脆．延性转化的条件是岩石发生破坏时的应变值达到3 ％。5 ％，文[ 1 8 】认为当 正／瓯 3 3 ．5 时发生脆．延性转化。 地质力学历史 现代地质力学特点 未来力学行为 区域构造h成分l 微观结构| I 宏观结构 工程构造 岩体结构 深部岩体 地应力场l渗流场| 1温度场 图1 ．1 深部岩体地质力学特点 1 ．2 ．2 岩石流变特性的试验研究 ∑Z 强度力学行为 变形力学行为 稳定性状态 岩石流变力学特性的主要方法有室内岩石流变试验和现场实测方法，两者各 有其优缺点。目前应用较多的是室内岩石流变试验，与现场实测方法相比，具有 可控制试验条件 温度、湿度等 、重复试验次数多、排除次要因素影响、便于 长期观测、且试验成本较低等优点。试验研究结果可揭示岩石在特定应力水平条 件下的流变力学特性，为建立合适的流变本构模型提供依据，并为进行工程岩体 流变数值分析提供有关的流变参数。 国际上，岩石流变力学特性研究始于2 0 世纪初。最早的试验研究时1 9 0 1 年F ．D ．A d a m s 和T ．T ．N i c 0 1 s o n 进行的大理岩抗压蠕变试验。D ．嘶g g s 1 9 3 9 年 u 刈 针对灰岩、页岩、粉砂岩等几种软弱岩石进行了蠕变试验，发现当加载应力达破 坏极限的1 2 ．5 ％～8 0 ％时，岩石发生蠕变现象。日本学者伊藤 I t o ，1 9 8 7 年 ⋯以j 对2 1 5 1 2 ．3 6 ．8 c m 的花岗岩试件进行了历时3 0 a 的弯曲蠕变试验，是目前持 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 续时间最长的蠕变试验，研究结果表明花岗岩呈黏滞流动但未观测到屈服应力。 H a u p t 【2 3 】 1 9 9 1 年 对盐岩的应力松弛特性进行了研究，试验发现岩石内部的细 观组成结构在整个应力松弛过程中保持不变，说明应力松弛从另一侧面反映了盐 岩内部组成结构受力后的黏性效应。O k u b o 【2 4 】等在自行研制的伺服刚性试验机上 完成了大理岩、砂岩和安山岩等岩样的单轴压缩蠕变测试，完整地获得了岩石蠕 变全过程曲线，特别是加速蠕变阶段应变．时间关系曲线，并据此提出了描述岩 石蠕变三个阶段的本构方程。G ．V o 试1 1 e 【2 5 】等系统地开展了不同温度、偏应力及 围压条件下盐岩的单轴和三轴蠕变试验，并通过研究其松弛特性探讨了盐岩的蠕 变破坏准则。E ．M 姗i 1 1 i 和M ．B r i g l l o l i 【2 6 J 进行了石灰岩单轴压缩和三轴压剪 蠕变试验，研究发现灰岩蠕变的变形机制主要是低围压下的裂隙扩展和高应力下 的孔隙塌陷。 在国内，自2 0 世纪5 0 年代末起，许多大型工程的兴建促进了我国对岩石力 学基本特性的研究，依托工程项目开展了大量的岩石流变力学试验，涵盖了节理 发育的硬岩、软岩和软弱夹层等方面，积累了丰富的流变试验资料。在2 0 世纪 9 0 年代初，陈宗基幽1 1 9 9 1 年 对宜昌砂岩进行了扭转蠕变试验，重点研究了砂 岩的封闭应力、蠕变和扩容现象，通过分析指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的 两个基本因素。杨建辉 1 9 9 5 年 口8 J 分析了砂岩的纵横向变形在单轴受压蠕变试验 过程中随时间增长而发展规律，指出产生横向变形的主要原因是岩石内部裂纹的 扩展。李永盛 1 9 9 5 年 眇】采用伺服刚性试验机，分别对大理岩、红砂岩、粉砂岩 和泥岩4 种不同强度的岩石材料进行了单轴压缩条件下的蠕变与松弛试验，指出 岩石材料在不同应力水平条件下会出现蠕变速率减小、稳定和增大三个变化发展 阶段，应力松弛具有连续型和阶梯型两种变化规律。邱贤德 1 9 9 5 年 【3 0 】利用自行 设计的杠杆式流变仪，对长山、乔后两类盐岩进行了蠕变、松弛和弹性后效流变 力学特性的试验研究，研究结果表明，长山盐岩的变形由位错及晶粒间界面控制， 在长期蠕变过程中主受位错滑移影响而表现为脆性破坏；而乔后盐岩是一种较复 杂的黏弹塑性体，屈服应力很低，并在试验基础上建立了一维应力状态下的最大 应变破坏准则。陈有亮 19 9 6 年 【3 1 】对红砂岩进行了拉伸断裂和拉伸流变断裂两种 直接拉伸试验，通过试验现象和结果的对比，得出了红砂岩的流变断裂准则。杨 淑碧 1 9 9 6 年 口2 】以侏罗系沙溪庙组砂岩和泥岩为研究对象，进行了系统的流变试 验研究，提出了砂岩和泥岩的流变特性主要影响因素是岩性和风化程度，砂岩的 松弛现象较蠕变现象更为突出，长期强度在压缩条件下较高，在拉伸条件下较低； 泥岩的蠕变现象相对于松弛现象更为突出，在压缩及剪切条件下的长期强度都较 低，强度的时间效应显著。赵永辉 2 0 0 3 年 【3 3 】以润扬长江大桥为研究背景，采用 岩石双轴流变试验机对其北锚碇基础区域的基岩进行了单、双轴的压缩与压剪蠕 中
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