应变局部化现象与巷道围岩破坏机制研究

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应变局部化是岩石类材料在受载过程中,发生强烈的应变集中而导致变形局部化或形成窄带现象。若窄带内集中了大量的剪切变形,我们称之为剪切带。剪切带被认为是应变局部化的结果,是材料失稳和破坏的起因和前兆。深入研究应变局部化剪切带现象对于岩石工程及采矿工程来说具有非常重要的现实意义。本论文拟通过理论分析、数值模拟这两种方法对岩石类材料应变局部化剪切带的形成、发展进行研究,并对深部巷道围岩局部化现象进行简要探索。论文的研究内容及成果主要包括以下几个方面:1.理论上分析了岩石类材料应变局部化剪切带的启动机制、启动条件及平面应变状态下的形成阶段。基于梯度塑性理论得到随着硬(软)化模量由正值变为负值,微分方程的定性特征发生变化,变形模式将由均匀变形变为不均匀变形模式,即局部化变形模式,为剪切带的启动机制;建立弹簧-滑块组合力学模型,对剪切带形成过程中的力学响应进行分析,得到剪切带模型的启动条件;运用Mohr-Coulomb理论分析得到平面应变条件下局部化剪切带出现在岩石全过程应力-应变曲线中的应变硬化范围内。2.基于FLAC数值模拟软件对岩石在平面应变条件下局部化剪切带进行数值模拟,得到端面效应、尺寸效应、加载模式及速度大小、缺陷位置及缺陷的数目都对局部化剪切带的最终形状及岩石试件的强度有影响。3.开展岩石在轴对称压缩条件下的局部化剪切带数值模拟研究,分为单轴压缩和常规三轴两种情况分别进行讨论。对圆柱体试件从端面效应、高度效应及围压效应三个方面来对比局部化剪切带的形状及岩石强度影响的具体程度。模拟得到的部分研究结果与前人的试验或数值分析结果类似。4.运用数值及钻孔窥视成像方法对深部巷道围岩局部化现象进行探索,得到深部巷道围岩内部出现应变局部化剪切带是造成巷道围岩破坏的重要原因。
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