单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究_张志镇.caj

[39]
逐渐萌生、扩展，电磁辐射、声发射、红外辐射等 逐渐增强，许多能量以裂纹表面能及各种辐射能的 形式耗散释放掉，但弹性变形能依然占据主要地位； 在不稳定破裂阶段(CD 段)，微裂纹进一步扩展、贯 通， 表面能大幅增加， 尖端因应力集中形成塑性区， 电磁辐射和声发射急剧增强，弹性变形能积聚能力 减弱，耗散能占比升高；在峰后软化阶段(DE 段)， 微裂纹贯通汇合成宏观裂纹，把岩石分割成大大小 小的块状、颗粒状、粉末状固体，之前存储的弹性 变形能释放出来，转化为岩块的动能、表面能、摩 擦热能及各种辐射能。 需要说明的是，应变硬化机制和应变软化机制 共存于岩石的整个变形破坏阶段，峰前阶段应变硬 化机制大于应变软化机制，所以宏观呈现出应变硬 化、能量积聚，而峰后阶段后者大于前者，宏观表 现为应变软化、能量释放。
第 31 卷 第 6 期 2012 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.31 No.6 June，2012
单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究
张志镇 1 2，高 峰 1
， ，2
(1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州
[11] [10] [6]
荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律。许 江等[20] 进行了孔隙水压力作用下砂岩的循环加卸载试验， 探讨了在这一变形损伤过程中的能量吸收与释放的 演化规律。此外，喻 勇等[21-22]对岩石的动态、静态 拉伸和压缩破坏断面进行了微细观观察，发现岩石 拉伸破坏所消耗的能量与岩石破坏时所形成的内部 损伤有着十分密切的联系。杨圣奇等[23-24]研究了岩 石能量特征的尺寸效应。 在对岩石变形破坏中能量研究的基础上，学者 们借助数值仿真、现场监测等手段将其应用于相关 工程实践。在岩爆方面，陈卫忠等[25]开展了不同围 压、不同控制方式和不同卸载速率条件下峰前和峰 后卸围压试验，阐述岩石在变形破坏过程中的能量 耗散及能量释放特点，并提出了一种新的能量判别 指标。J. A. Wang 和 H. D. Park[26]进行了岩石储存能 量性能试验，对基于应变能的岩爆预测进行了尝试。 在煤矿冲击矿压方面，王述红等[27]应用 RFPA、卢爱 红等[28]用 LS-DYNA、 周光文等[29]用 FLAC3D、 牟宗 龙等[30]用 UDEC、张志镇等[31]用 ANSYS 分别对各 自的研究工况进行了能量积聚释放规律的数值模 拟，并基于此分析了冲击危险性。蓝 航等[32]以数 值模拟软件 FLAC3D 为计算工具，通过选用具体的 力学本构模型，建立煤岩动力灾害统一能量模型，定 量研究了兼具冲击地压和煤与瓦斯突出 2 种灾害特 征的煤岩动力灾害。此外，在开挖损伤区计算[33]、 巷道防冲支护[34-35]、断层运动[36]等领域也进行了不 少研究。 这些工作充分表明受载岩石能量特征用于指导 工程实践的积极意义，但岩石受载过程中能量的积 聚、耗散及释放规律，能量演化规律与岩石损伤状 态、破坏方式等之间的关联，岩石内部微细观结构 与能量演化的相互作用等都没有得到系统而细致的 研究，这大大制约了其在工程中更广泛、更深入、 更有效地应用，本文拟通过岩石受载过程中的能量 转化分析和能量演化试验，建立并验证能量演化模 型，并在此基础上探讨能量演化的非线性特性，这 将加深对岩石破坏行为的认识，并有助于将能量特 征更好地应用于相关工程实践。
Energy evolution law of rock during deformation and failure process
能量的转化由应变硬化机制和应变软化机制来 驱动，应变硬化机制将外界输入岩石系统的能量转 化为岩石系统的应变能，应变软化机制将岩石内的 应变能转化为损伤能、热能等其他形式的能量，即 将品质较高的能量转化为品质较低的能量[38]。应变 硬化机制主要有晶粒变形、 颗粒边界、 杂质阻障等， 应变软化机制主要有晶粒间相对运动、晶内滑移、 晶格中缺陷位移、重结晶等
能量输入 机械能 弹性变形能 热能 外界 损伤能 岩石系统 能量积聚 能量耗散 塑性变形能 能量释放 动能 摩擦热能 辐射能 外界
图1 Fig.1
受载岩石系统的能量转化 Fig.2
图2
岩石变形破坏过程中的能量演化规律
Energy conversion of rock system being loaded
[16]
进行了岩石的二维动静组合加载
[17]
试验，并分析了其应变能演化规律。黎立云等
设
计制作了花岗岩孔洞结构试件，进行了顶部承受静 态加载和动态冲击加载试验，分别计算了结构的输 入能与储存的可释放应变能，利用表面能对结构总 体的耗散能进行了计算。 以上试验只关注特定阶段的能量变化，如峰前 或峰后的总能量，而较少研究变形破坏全过程的能 量实时演化，为此，谢和平等
第 31 卷
第6期
张志镇等：单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究
• 1199 •
能量转化与传递规律，尤其是针对岩石工程中动力 失稳现象，学者们从试验出发，做了大量工作：华 安增等 针对常规加载过程的能量特征，采用刚性 电液伺服机对大理石进行降围压试验，揭示了卸压破 碎与加压破碎在能量变化方面的不同；尤明庆等[7-8] 分别对粉砂岩和大理岩试样进行常规三轴加载试 验，表明岩样破裂时实际吸收的能量与破裂时所处 的围压成线性关系；苏承东和张振华[9]对大理岩岩 样在不同围压下轴向压缩屈服之后完全卸载，再对 损伤岩样进行的单轴压缩试验表明，岩样三轴压缩 过程中屈服前能量消耗较少，塑性变形过程需要消 耗更多的能量，塑性变形与耗能具有良好的线性特 征，高围压下要使岩样完全破坏需要消耗较多能 量；X. P. Zhou等 利用不同加载速率的三点弯曲试 验研究了临界应变能密度的变化规律，试验表明， 岩石临界应变能密度因子与加载速率呈指数关系； 刘建锋等
221008；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116)
摘要：岩石在变形直至破坏失稳中的能量转化是一个动态的过程，大致分为能量输入、能量积聚、能量耗散和能 量释放 4 个过程。通过对不同能量转化机制的非线性关系分析，建立受载岩石能量转化随轴向应力的自我抑制演 化模型，并由红砂岩能量演化试验对其进行验证，所建模型适用于岩石变形破坏峰前阶段。研究表明，随应力演 化的能量密度值序列遵循标准 Logistic 映射，能量演化具有分叉和混沌特征，当轴向应力达到约 92%峰值应力时， 岩石系统进入倍周期分叉区，达到约 97.5%峰值应力时，进入混沌区。定义能量迭代增长因子，其随应力单调递 增，并初步提出岩石破坏预警判据 = 3。 关键词：岩石力学；能量演化；单轴压缩；Logistic 方程；混沌 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)06–1198–10
1引言Fra bibliotek学问题，已得到理论界、工程界越来越多的关注及 重视[5]。 为探求人为亦或自然的岩体变形破坏过程中的
鉴于岩石失稳破坏的能量驱动本质 [1-3] 和现有
收稿日期：2012–01–12；修回日期：2012–02–27
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB226804，2011CB201205)；江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CX10B_134Z) 作者简介：张志镇(1987–)，男，2008 年毕业于中国矿业大学工程力学专业，现为博士研究生，主要从事非线性力学与煤岩动力灾害防治方面的研究 工作。E-mail：zzzcumt@
[13]
利用 SHPB 装置
进行了不同加载速率下岩石压缩试验，表明岩石破 坏耗能和碎石飞溅动能均随加载速率增大而增大。 W. X. Gao 和 Y. T. Liu[14]利用一级轻气炮对砂岩试 件进行了平面撞击试验，计算得到不同冲击荷载下 岩石试件中的损伤能量耗散密度。鞠 杨等
[15]
应用
SHPB 试验和分形方法研究节理岩石的应力波动与 能量耗散关系，分析了节理面不规则结构对应力波 穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的 影响。左宇军等
对细砂岩和粉砂质泥岩进行单轴压缩
循环荷载下的试验研究，表明岩石密度越大，岩石 发生的能量耗散则越小，反之能量耗散越大。 考虑到岩石工程中的动力加载现象， M. N. Bagde 和 V. Petros
[12]
对周期动载荷下岩石的能量特
性进行了研究，发现岩石释放的能量随着加载频率 增加而减少，随加载幅值增加而增加，且能量大小 与岩石类型有关。Z. X. Zhang 等
Abstract：Energy conversion during rock deformation and failure is a dynamic process，and it can be mainly divided into four subprocesses：energy input，energy accumulation，energy dissipation and energy release. Based on connection analysis of different energy conversion mechanisms，a self-repression model of energy transform with axial stress is founded；and the model is approved to be suited with the energy evolution in front of peak stress via experiments on red sandstone specimens. Energy density serials with axial stress follow standard Logistic mapping， and it is of the characteristics of bifurcation and chaos. When the axial stress reaches about 92% of peak stress， the rock system turns into period of doubling bifurcation region； and when 97.5% of peak stress， the rock system turns into chaos region. A parameter ，called iterative growth factor，which is a monotonically is brought increasing function of axial stress， is proposed； and a new warning criterion for rock failure， that is = 3， out preliminarily. Key words：rock mechanics；energy evolution；uniaxial compression；Logistic equation；chaos 理论的不足[4]，从能量的角度去观察及研究岩石力