袁林第一次学习汇报

1、 简要提纲简要提纲非线性流变的简单阐述非线性流变的简单阐述深部采动巷道围岩变形破坏特征与深部采动巷道围岩变形破坏特征与应力场演化应力场演化几种深部巷道围岩非线性流变模型几种深部巷道围岩非线性流变模型国内学者研究热点及寻找创新点国内学者研究热点及寻找创新点后续的学习计划和工作后续的学习计划和工作12345一、非线性流变的简单阐述一、非线性流变的简单阐述1、岩石流变、岩石流变 材料变形具有时间效应的现象称材料变形具有时间效应的现象称流变现象流变现象。 研究和试验表明研究和试验表明:随着岩体赋存深度的增加其力随着岩体赋存深度的增加其力学性能逐渐由脆性向延性转化学性能逐渐由脆性向延性转化, 呈现良好的

2、塑性变形呈现良好的塑性变形和承载能力。和承载能力。 由于岩石和岩体本身的结构和组成因素，且在自由于岩石和岩体本身的结构和组成因素，且在自重、构造应力和矿山采动的集中应力的影响下，矿山重、构造应力和矿山采动的集中应力的影响下，矿山煤岩都会随着时间而产生显著的蠕变现象，其变形和煤岩都会随着时间而产生显著的蠕变现象，其变形和应力随着时间推移而不断调整，在一个相当长的时间应力随着时间推移而不断调整，在一个相当长的时间内才能趋于稳定或者失稳。内才能趋于稳定或者失稳。 地下工程开挖后地下工程开挖后,在自由面附近岩体处于近似两在自由面附近岩体处于近似两向受力状态向受力状态,在高地应力作用下往往产生塑性状态下

3、的在高地应力作用下往往产生塑性状态下的快速垮落破坏现象。快速垮落破坏现象。 由于开挖的卸荷作用对应力场产生巨大扰动，应由于开挖的卸荷作用对应力场产生巨大扰动，应力场重新分布。巷道周边力场重新分布。巷道周边径向应力增大而切向应力减径向应力增大而切向应力减小小，造成拉剪破坏，形成破碎区、塑性软化区、弹性，造成拉剪破坏，形成破碎区、塑性软化区、弹性区、原岩应力区。区、原岩应力区。2、围岩流变的非线性表现、围岩流变的非线性表现 深部深部“三高一扰动三高一扰动”（高地应力、高地温、高渗（高地应力、高地温、高渗透压、强烈的开采扰动）使得深部岩体表现出明显的透压、强烈的开采扰动）使得深部岩体表现出明显的非线

4、性大变形力学特征。非线性大变形力学特征。 造成岩石非线性流变的几点原因：造成岩石非线性流变的几点原因：（1）岩石的非均质性岩石的非均质性，岩石材料的高度无序分布，岩石材料的高度无序分布，岩体内地应力随时空而变，岩石成份与构造的复杂性岩体内地应力随时空而变，岩石成份与构造的复杂性与多相性，岩体工程开挖和施工工艺的影响，构成了与多相性，岩体工程开挖和施工工艺的影响，构成了岩石力学具有高度的非线性。岩石力学具有高度的非线性。（2）岩体的变形、损伤、破坏及其演化过程包含了）岩体的变形、损伤、破坏及其演化过程包含了互相耦合的多种非线性过程互相耦合的多种非线性过程。（3）岩石）岩石(体体)的变形、损伤、破

5、坏过程是一个的变形、损伤、破坏过程是一个动态动态的非线性不可逆演化过程的非线性不可逆演化过程，各种参数处于变化之中，各种参数处于变化之中 。（4）岩石（体）变形进入塑性、断裂、破坏后，非）岩石（体）变形进入塑性、断裂、破坏后，非线性因素占主导地位，就会在系统中出现分叉、突线性因素占主导地位，就会在系统中出现分叉、突变等变等非线性复杂力学行为非线性复杂力学行为。3、岩石流变理论、岩石流变理论（1）岩石流变规律）岩石流变规律 岩石流变规律是应力、应变与时间的函数，它表岩石流变规律是应力、应变与时间的函数，它表现为现为蠕变、松弛、黏滞、弹性后效与长期强度蠕变、松弛、黏滞、弹性后效与长期强度的特性。的

6、特性。 长期恒载下岩石典型蠕变曲线图如下：长期恒载下岩石典型蠕变曲线图如下： 大致可以分为三个阶段，即三期蠕变。大致可以分为三个阶段，即三期蠕变。 第第1阶段：蠕变曲线斜率逐渐变小，应变率随时间减小，阶段：蠕变曲线斜率逐渐变小，应变率随时间减小，变形以减速发展。变形以减速发展。第第2阶段：斜率近似不变，应变率约为常量。阶段：斜率近似不变，应变率约为常量。第第3阶段：应变率迅速增加，导致岩石发生破坏。阶段：应变率迅速增加，导致岩石发生破坏。可以看出，岩石变形可包括几个阶段：可以看出，岩石变形可包括几个阶段：瞬时变形，初始蠕变，等速蠕变，加速蠕变。瞬时变形，初始蠕变，等速蠕变，加速蠕变。(2)岩石

7、流变传统组合模型岩石流变传统组合模型马克斯威尔（马克斯威尔（m）体）体本构方程：本构方程：开尔文（开尔文（k）体）体本构方程：本构方程：伯格斯（伯格斯（burgers）体）体本构方程：本构方程：宾汉姆（宾汉姆（bingham）体）体本构方程：本构方程：poynting-thomson（h-m）体）体又叫滞弹性模型，由一个虎克体（又叫滞弹性模型，由一个虎克体（h）与一个牛顿体）与一个牛顿体（n）串联再与）串联再与h体并联组成。体并联组成。kelvin-voigt(h-k)体体由一个虎克体和一个牛顿体并联再与一个虎克体串联由一个虎克体和一个牛顿体并联再与一个虎克体串联组成。组成。k-n体体jeff

8、erys体体西原正夫体西原正夫体以上摘于刘雄以上摘于刘雄岩石流变学概论岩石流变学概论。二、深部采动巷道围岩变形特征及二、深部采动巷道围岩变形特征及应力场演化规律应力场演化规律1、深部采动巷道围岩变形破坏特征、深部采动巷道围岩变形破坏特征 在巷道开挖瞬间在巷道开挖瞬间, ,围岩暂时处于弹性状态围岩暂时处于弹性状态, ,巷道周巷道周边附近岩体出现应力集中边附近岩体出现应力集中, ,发生发生脆性的张裂破坏脆性的张裂破坏, , 使这使这部分岩体完整性降低。部分岩体完整性降低。 由于张裂破坏速度很快由于张裂破坏速度很快, , 张裂区外侧围岩弹性能张裂区外侧围岩弹性能迅速释放迅速释放, ,对张裂区围岩施加

9、压力对张裂区围岩施加压力, ,使其进入使其进入塑性软化塑性软化阶段阶段, ,产生剪切延性破坏产生剪切延性破坏。破裂区的支撑反力和变形约。破裂区的支撑反力和变形约束作用使外侧围岩逐渐进入塑性强化阶段束作用使外侧围岩逐渐进入塑性强化阶段, ,随着围岩弹随着围岩弹性能的进一步释放。性能的进一步释放。 塑性区和弹性区交界线处围岩环向、径向压力最大塑性区和弹性区交界线处围岩环向、径向压力最大,径向应径向应变最大变最大,称称支撑压力线支撑压力线。它在围岩的应力重分布过程中逐渐后移。它在围岩的应力重分布过程中逐渐后移,塑性区逐渐向深部发展。塑性区逐渐向深部发展。 当支撑压力线处的拉应变达到围岩的极限拉应变时

10、当支撑压力线处的拉应变达到围岩的极限拉应变时,围岩由围岩由塑性转化为脆性而产生拉裂破坏塑性转化为脆性而产生拉裂破坏,形成一条形成一条环带状连续缝环带状连续缝。它外。它外侧围岩又因为应力集中出现弹性转化脆性的张裂破坏侧围岩又因为应力集中出现弹性转化脆性的张裂破坏,这样重复这样重复出现弹性转化脆性的张裂破坏和由塑性转化为脆性的拉裂环状出现弹性转化脆性的张裂破坏和由塑性转化为脆性的拉裂环状连续缝使得围岩内产生交替的破坏及未破坏区域连续缝使得围岩内产生交替的破坏及未破坏区域,即即分区破裂化分区破裂化现象现象。这种现象一直进行到围岩介质内由荷载作用产生的最大。这种现象一直进行到围岩介质内由荷载作用产生的

11、最大径向拉应变值小于围岩的极限拉应变时为止。径向拉应变值小于围岩的极限拉应变时为止。 在高地应力环境下在高地应力环境下,巷道开挖卸荷后巷道开挖卸荷后,围岩应力场重新分布。围岩应力场重新分布。当应力状态达到脆性破坏强度准则时就会从弹性或塑性状态进当应力状态达到脆性破坏强度准则时就会从弹性或塑性状态进入脆性破坏状态入脆性破坏状态,从而又使围岩应力得到重新分布从而又使围岩应力得到重新分布,如此重复如此重复,产产生分区破裂现象。生分区破裂现象。2、深部采动巷道围岩应力场演化及与围、深部采动巷道围岩应力场演化及与围岩非线性流变的相互关系岩非线性流变的相互关系 深部巷道围岩流变性突出深部巷道围岩流变性突出

12、,塑性区较大。在塑性区塑性区较大。在塑性区内内,围岩会因大变形而发生结构损伤围岩会因大变形而发生结构损伤,围岩的力学性能也围岩的力学性能也会随巷道变形而发生劣化会随巷道变形而发生劣化。所以。所以,巷道围岩应力场特别巷道围岩应力场特别是塑性区内的应力场是塑性区内的应力场,会随着巷道围岩的流变而发生演会随着巷道围岩的流变而发生演变。变。 当围岩应力场接近或达到了岩石极限强度当围岩应力场接近或达到了岩石极限强度, 岩石产岩石产生流变生流变,使岩石结构发生损伤劣化使岩石结构发生损伤劣化。岩石流变和岩石结。岩石流变和岩石结构损伤劣化导致巷道围岩应力场不断演变构损伤劣化导致巷道围岩应力场不断演变,进一步加

13、剧进一步加剧巷道围岩的持续流变。巷道围岩的持续流变。 巷道围岩变形可分为巷道围岩变形可分为3个阶段个阶段:剧烈变形阶段、相剧烈变形阶段、相对稳定阶段和持续缓慢变形阶段。对稳定阶段和持续缓慢变形阶段。 三、几种深部巷道围岩的非线性流三、几种深部巷道围岩的非线性流变力学模型变力学模型1、改进的西原正夫体、改进的西原正夫体 西原正夫体和广义西原正夫体是能较好地描述岩西原正夫体和广义西原正夫体是能较好地描述岩土蠕变全过程曲线的应用较多、比较完善的模型。不土蠕变全过程曲线的应用较多、比较完善的模型。不过，虽然该模型也能描述加速蠕变，但其加速蠕变阶过，虽然该模型也能描述加速蠕变，但其加速蠕变阶段的速度恒定

14、，这与实际蠕变曲线不符。段的速度恒定，这与实际蠕变曲线不符。 曹树刚通过对岩石的全应力应变曲线和蠕变曲线曹树刚通过对岩石的全应力应变曲线和蠕变曲线的分析，将西原体中的粘滞性体模型的粘滞系数修正的分析，将西原体中的粘滞性体模型的粘滞系数修正为非线性，提出了一种能较好反应岩石非衰减蠕变特为非线性，提出了一种能较好反应岩石非衰减蠕变特性的性的改进西原正夫体改进西原正夫体。 高延法、曹树刚、彭苏萍、金丰年等都有将西原高延法、曹树刚、彭苏萍、金丰年等都有将西原体应用于深部软岩巷道的围岩流变分析，应力场研究体应用于深部软岩巷道的围岩流变分析，应力场研究以及支护设计之中，具有很好的实际应用意义。以及支护设计

15、之中，具有很好的实际应用意义。(1)对对st.v体的改进体的改进其本构方程修正为：其本构方程修正为：一维应力状态下：一维应力状态下：三维应力状态下：三维应力状态下：（2）改进的西原体及其蠕变方程）改进的西原体及其蠕变方程（3）改进本原体的蠕变方程）改进本原体的蠕变方程 对其求导，可知该模型能描述衰减蠕变、稳定蠕变和具非对其求导，可知该模型能描述衰减蠕变、稳定蠕变和具非线性特点的加速蠕变。改进的西原正夫模型的理论曲线与岩石线性特点的加速蠕变。改进的西原正夫模型的理论曲线与岩石实际的蠕变实验曲线能较好地吻合，该模型可以较好地表示岩实际的蠕变实验曲线能较好地吻合，该模型可以较好地表示岩石的三阶段蠕变

16、变形，尤其是非线性的加速蠕变变形。石的三阶段蠕变变形，尤其是非线性的加速蠕变变形。2、河海模型、河海模型 徐卫亚等提出的河海模型徐卫亚等提出的河海模型能够很好的描述岩石的非线性加能够很好的描述岩石的非线性加速蠕变变形，并且将其应用于锦屏一级水电站坝基岩石工程进速蠕变变形，并且将其应用于锦屏一级水电站坝基岩石工程进行三维岩石流变模拟，对其长期稳定和安全提供了评价和建议。行三维岩石流变模拟，对其长期稳定和安全提供了评价和建议。 （1）以下为所提出的岩石非线性黏弹塑性流变模型：）以下为所提出的岩石非线性黏弹塑性流变模型：（2）蠕变方程）蠕变方程 当当1、2、3部分参与流变，得五元件黏弹性流变模型的蠕

17、变部分参与流变，得五元件黏弹性流变模型的蠕变方程：方程： 当当1、2、3、4部分都参与流变，得七元件非线性黏弹塑性部分都参与流变，得七元件非线性黏弹塑性流变模型的蠕变方程：流变模型的蠕变方程：（3）蠕变特征曲线）蠕变特征曲线四、国内学者研究热点及寻找创新点四、国内学者研究热点及寻找创新点1、国内学者的研究热点、国内学者的研究热点（1）基于）基于“巷道围岩松动圈理论巷道围岩松动圈理论”研究弹塑性行为应研究弹塑性行为应用于现场支护。用于现场支护。 70年代董方庭教授提出围岩松动圈理论：在原岩中开挖巷年代董方庭教授提出围岩松动圈理论：在原岩中开挖巷道，打破了围岩原有的三向应力平衡状态，围岩中应力将重

18、新道，打破了围岩原有的三向应力平衡状态，围岩中应力将重新分布。一方面巷道周边径向应力下降为零，围岩强度明显下降分布。一方面巷道周边径向应力下降为零，围岩强度明显下降;另一方面是环向应力集中。如果集中应力小于围岩强度，围岩另一方面是环向应力集中。如果集中应力小于围岩强度，围岩处于弹塑性应力平衡状态处于弹塑性应力平衡状态;当集中应力超过围岩强度之后，巷道当集中应力超过围岩强度之后，巷道周边岩石将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度取周边岩石将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度取得围岩长时强度条件下新的三向应力平衡为止，此时围岩中出得围岩长时强度条件下新的三向应力平衡为止，此时围岩中出

19、现一个破裂区围岩松动圈。现一个破裂区围岩松动圈。（2）基于）基于“统一强度理论统一强度理论”进行的弹塑性分析。进行的弹塑性分析。 对于岩土类材料的强度理论，一般都没有考虑中间主应力对于岩土类材料的强度理论，一般都没有考虑中间主应力的作用，因而较为保守的作用，因而较为保守 ，造成现场应用的资源浪费。俞茂宏教，造成现场应用的资源浪费。俞茂宏教授直接根据材料单向拉伸和单向压缩强度极限从一个统一的单授直接根据材料单向拉伸和单向压缩强度极限从一个统一的单元体模型出发，对材料强度理论不作任何假设，考虑所有应力元体模型出发，对材料强度理论不作任何假设，考虑所有应力分量以及它们对材料破坏的不同影响，建立一个能

20、够适用于各分量以及它们对材料破坏的不同影响，建立一个能够适用于各类材料的统一强度理论和统一形式的数学表达式。类材料的统一强度理论和统一形式的数学表达式。（3）用）用岩石强度极限领域和极限接近度岩石强度极限领域和极限接近度的概念来阐述的概念来阐述岩石的流变性强弱。岩石的流变性强弱。 岩石强度极限邻域指岩石会产生流变变形的所有应力状态岩石强度极限邻域指岩石会产生流变变形的所有应力状态的区域的区域.应力状态处于强度极限邻域内的岩石会产生流变应力状态处于强度极限邻域内的岩石会产生流变,还会在还会在外部扰动荷载作用下产生相应的扰动变形。应力状态处于强度外部扰动荷载作用下产生相应的扰动变形。应力状态处于强

21、度极限邻域外的岩石则不会产生流变和扰动变形。岩石极限接近极限邻域外的岩石则不会产生流变和扰动变形。岩石极限接近度则定义为岩石应力状态接近强度极限的程度。度则定义为岩石应力状态接近强度极限的程度。（4）关于）关于“围岩分区破裂化围岩分区破裂化”现象的研究现象的研究 围岩分区破裂化是指在深部岩体中开挖，在其两侧和工作围岩分区破裂化是指在深部岩体中开挖，在其两侧和工作面前的围岩中将会产生交替的破裂区和不破裂区。这个现象与面前的围岩中将会产生交替的破裂区和不破裂区。这个现象与高压巷道围岩挤压破坏形成松动圈不同，呈现的是围岩严重断高压巷道围岩挤压破坏形成松动圈不同，呈现的是围岩严重断裂和弱断裂交替出现的

22、不均匀破坏情况。裂和弱断裂交替出现的不均匀破坏情况。 国内外学者都对此现象进行了激烈的讨论，认为围岩分区国内外学者都对此现象进行了激烈的讨论，认为围岩分区破裂化是高应力软岩破坏的普遍现象，能指导现场应用及观测。破裂化是高应力软岩破坏的普遍现象，能指导现场应用及观测。（5）关于）关于“围岩结构性流变围岩结构性流变”的研究的研究 在开挖初期在开挖初期,围岩动态主要以岩块的力学行为和力学响应为围岩动态主要以岩块的力学行为和力学响应为主主,随着时间的推移随着时间的推移,岩块变形逐渐减弱岩块变形逐渐减弱,而结构面变形逐渐增强而结构面变形逐渐增强,以至围岩的变形、应力重分布及变形破坏主要或完全由结构面以至

23、围岩的变形、应力重分布及变形破坏主要或完全由结构面贡献和控制。贡献和控制。 由于天然应力较高由于天然应力较高,应力状态的变化使应力状态的变化使与巷壁垂直的结构在与巷壁垂直的结构在该应力状态紧密闭合该应力状态紧密闭合,而与巷壁近于平行的部分结构面因压致拉而与巷壁近于平行的部分结构面因压致拉裂而被局部张开裂而被局部张开,某些结构面则发生剪切滑移而局部张开。局部某些结构面则发生剪切滑移而局部张开。局部结构面的张开结构面的张开,降低了围岩的完整性、整体强度和抗变形能力降低了围岩的完整性、整体强度和抗变形能力,加加剧了围岩的不均匀性剧了围岩的不均匀性,围岩发生径向位移并使巷道收敛。围岩结围岩发生径向位移

24、并使巷道收敛。围岩结构的这种变化构的这种变化,反过来影响围岩应力状态反过来影响围岩应力状态,导致该张开节理两侧围导致该张开节理两侧围岩应力状态的进一步调整。岩应力状态的进一步调整。 如此周而复始如此周而复始,围岩深部和表部既有结构面以相同的方式发围岩深部和表部既有结构面以相同的方式发展演化展演化,致使在围岩内不同深度处致使在围岩内不同深度处,与硐壁近于平行结构面多处张与硐壁近于平行结构面多处张开并同时存在开并同时存在,每一次局部张开均将引起围岩应力的调整每一次局部张开均将引起围岩应力的调整,局部张局部张开处的应力降低并向相邻位置转移开处的应力降低并向相邻位置转移,从而出现应力的涨迭。该动从而出

25、现应力的涨迭。该动态演化的本质是态演化的本质是结构面发生了一系列复杂时间相关的力学行为结构面发生了一系列复杂时间相关的力学行为,此即围岩结构性流变。此即围岩结构性流变。（6）关于）关于“岩石流变扰动效应岩石流变扰动效应”的研究的研究 高延法教授通过一系列文章来进行了岩石流变扰动效应的高延法教授通过一系列文章来进行了岩石流变扰动效应的试验和对形成机制的研究，建立了岩石在不同流变阶段的流变试验和对形成机制的研究，建立了岩石在不同流变阶段的流变扰动效应的本构方程。扰动效应的本构方程。 岩石流变扰动效应是指岩石在一定应力状态下，岩石流变扰动效应是指岩石在一定应力状态下，受到外部受到外部扰动荷载作用之后会产生对应的蠕变变形增量这一力学现象扰动荷载作用之后会产生对应的蠕变变形增量这一力学现象。它是原本处于静平衡状态下的岩石单纯由扰动引发的一种变形，它是原本处于静平衡状态下的岩石单纯由扰动引发的一种变形，扰动荷载一般是在岩体内传播的震动波，它在扰动作用之后产扰动荷载一般是在岩体内传播的震动波，它在扰动作用之后产生的一种不可恢复的永久变形。生的一种不可恢复的永久变形。 它的物理力学本质是：岩石属非均质材料，当岩石的应力它的物理力学本质是：岩石属非均质材料，当岩石的应力状态处于强度极限邻域内时，一旦有外部扰动作用，在