金属矿山特殊岩石本构理论及试验研究

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岩石作为一种天然形成的地质材料,广泛的应用于日常生产生活中;岩石力学理论的研究是地下工程、隧道工程以及土木建筑等设计和施工的重要依据,也是岩石力学性能开发与应用的重要理论支撑。本文以金属矿山特殊岩石为研究对象,展开了系统的力学试验研究;在试验成果的基础上,构建了特殊岩石的本构模型,提出了适合岩石强度特点的幂函数型经验准则,对同类脆性岩石有很好的实用意义。本文的研究内容与成果归结为以下三部分:(1)对标准岩样进行抗拉、单轴和三轴试验,获取岩样基本力学参数;经分析变形曲线和强度特征得出:岩样密度影响其抗拉强度,随着围压增大,相应地岩样强度、弹性模量和泊松比也增大;岩样各阶段强度、峰值应变均与围压成正比例关系,峰后变形模量与围压成幂函数关系;通过对比得出岩样抗剪参数在峰值时最为准确,粘聚力为6.63MPa,摩擦角为44.59°;岩样内部矿物成分改变了其强度和承载力,单轴下岩样呈张拉-剪切破坏,三轴下岩样破坏由脆性向延性过渡,内部节理层改变了岩样的破坏模式。(2)系统介绍了弹性与塑性本构关系在应力空间中的表述,塑性本构关系在应力空间中的表述可以分为屈服面和屈服准则、加卸载和流动准则;指出了应力空间中本构关系更适用于强化材料的不足,应变空间的表述更能直观的反应材料力学性质。结合千枚岩的变形特点,构建了千枚岩的弹-塑-软本构模型,阐述了弹-塑-软本构模型在应变空间中的表述;利用Mohr-Coulomb准则并结合试验数据推导出了峰前塑化和峰后软化阶段在应变空间中表述的本构方程。(3)根据千枚岩的试验数据绘制了σ13关系曲线,通过几种适用于岩石材料的强度准则对试验数据进行拟合,结果表明:Mohr-Coulomb强度准则预测值偏保守,Hoek-Brown强度准则和广义Hoek-Brown强度准则在高围压区的预测值过高,Yoshida经验准则不能预测岩样的拉应力;在此基础上,结合千枚岩的力学特点,提出了适用于脆性岩石的幂函数型经验强度准则,并对金属矿山5组不同岩性岩样进行拟合,得到了良好的效果,具有一定的工程参考价值。
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