静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应与本构模型

静水压环境是深部岩石的典型应力赋存状态,并且岩石内存在多尺度的结构面,易遭受压剪耦合的复杂动力扰动。因此,探究静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应及损伤本构模型对于深部岩石结构安全评估和动力灾害防控极为重要。本文应用霍普金森压杆试验装置,对倾斜砂岩试样进行动态压剪耦合试验,揭示静水围压、动态荷载压剪耦合比及加载率对岩石力学特性的影响规律;基于Drucker–Prager准则和Weibull分布,建立静水压环境下深部岩石动态压剪耦合损伤本构模型。结果表明:1)岩石动态强度及变形模量随着加载率及静水围压的增大呈增加趋势,强度的围压效应及加载率效应明显,动态荷载中的剪切分量能削减岩石承载能力并提升岩石的变形能力。2)随着动态荷载剪压比和静水围压的增加,岩石冲击破坏模式由拉伸主导的内部锥形破裂面及表面劈裂转变为剪切主导的单一平面破坏;动态荷载中的剪切分量对静水围压作用下岩石的动态破碎存在明显的限制作用。3)采用极值解析法推导了模型分布参数F0和m的解析表达式,探究了模型分布参数F0、m和损伤修正系数q的物理意义及其对本构模型的影响规律;同时,对比不同工况下试验和理论应力应变曲线,验证了该模型的合理性。本文揭示的静水压环境下岩石动态压剪耦合动力响应与建立的损伤本构模型,可为复杂动力扰动下深部岩石工程安全建设与灾害防护提供理论支撑。

基于岩石声弹理论的波速-静水围压关系耦合模型

岩石的波速与静水围压的关系研究对于深部地球物质的判定、地壳应力评估等相关研究具有极其重要的意义.目前许多研究者基于静水围压作用下岩石超声波波速实验数据,仅从数学统计上考虑提出了不同的岩石波速-静水围压的关系模型,并且P波和S波的波速-静水围压统计关系互相不耦合.本文基于岩石声弹理论角度出发,给出岩石P波和S波波速-静水围压关系的耦合模型.其次,基于统计关系的非耦合模型和本文提出的耦合模型,对一系列岩石样本的P波和S波超声波波速-静水围压实验数据进行回归分析.最后,本文通过与非耦合模型的统计结果的对比分析,得出耦合模型相对于非耦合模型来说,不仅物理意义明确,而且更具有统计学意义.

高地应力下砂岩力学参数和波速变化规律试验研究

基于波动方程,提出一种砂岩的纵波波速与静水围压关系的数学模型。在岩石常规三轴试验的基础上得到不同静水围压下砂岩的静弹性模量、静泊松比和纵波波速,并分别拟合得到静弹性模量-静水围压和静泊松比-静水围压关系的拟合曲线和拟合公式。试验结果表明,砂岩的静弹性模量和静泊松比随静水围压的增大而增加,且静弹性模量增加速率缓慢减少。基于波动方程求解得到纵波波速-静水围压关系的数学模型,利用数学模型计算得到的纵波波速可知,砂岩的纵波波速随静水围压的增大而增大,且增加速率逐渐变缓。计算得到的纵波波速与试验测得的纵波波速进行对比验证,误差范围为7.0%~8.3%,故基于波动方程求解的砂岩纵波波速-静水围压关系的数学模型可靠性和准确性较高,对高地应力下岩石的物理力学参数和波速变化规律的分析判定具有指导意义。