岩石峰后扩容特性及本构模型的

岩石峰后扩容特性及扩容模型的探讨摘要：由许多文献中岩石试验结果发现，岩石峰后扩容明显大于峰前，对地下岩石工程有很大影响。然而，现阶段对岩石峰后扩容的研究不成熟。本文采用扩容角这一定义，讨论了岩石可塑性和围压对岩石扩容的影响。笔者认为，岩石可塑性和围压对岩石扩容影响是有律可循的，影响岩石扩容的主要参数可塑性和围压可以通过扩容角函数得到体现，建立岩石扩容模型。关键词：岩石扩容；峰后；塑性软化；可塑性；围压STUDYOFTHEROCKDILATANCYCHARACTERISTICANDDILATANCYMODELAFTERTHEPEAKSTRENGTHAbstract：Weknowthattherockdilatancyafterthepeakstrengthgreaterthanbefore,byconsultingmanyliteratures.Thedilatancyhasverylargeeffectinundergroundrockengineering.Nevertheless,thestudyofthedilatancyafterthepeakstrengthisimmature.Forthesakeofthestudyofhowtherockplasticityandconfiningpressureeffectsrockdilatancy,wemadeuseofthedilatancycornerinourstudy.Wefound,therockdilatancycanbeembodiedbydilatancycorner,whichcontainthemostlydilatancyparameter–theplasticityandconfiningpressure.Finally,wecanfoundtherockdilatancymodel.Keywords：dilatancy；afterthepeakstrength；plasticity；confiningpressure；引言在岩石工程和岩石力学试验中，会遇到岩石受压后体积膨胀的现象，即扩容现象。由于该膨胀主要是剪切变形引起的，因此在根本上与“剪胀”的意义相同，故又称之为剪胀现象[1,2,3]。对于地下井巷工程，由于开挖引起岩石卸载，最小主应力（一般是径向应力）降低。虽然远离井巷增加,但至多达到原岩应力。在目前开采水平下，若巷道埋深1000米，原岩应力约25MPa；而且，在原岩应力处的应力差值不会很大。可见，巷道周围岩石实际所受到的围压远小于脆-延性转化的临界围压值。说明，对于巷道围岩，岩石破坏后的主要变形特征是应变软化，岩石扩容主要发生在峰值应力后的软化阶段[4]。虽然已经认识到了岩石峰后扩容的重要意义和应用价值，也开展了许多的研究工作，取得了一些成果，但从目前研究现状看，对岩石峰后破裂过程和破裂后岩石扩容特性没有足够的认识，搞不清楚岩石扩容的形成和活动规律。因此，有必要对岩石峰后扩容特性和扩容模型进行研究探讨。岩石扩容模型的探讨从许多实验分析和理论研究中可以得知，扩容性非常依赖于岩石材料性质和应力状态，此外，也表明尺寸对扩容起了一个不可忽略的作用[5,6]。为了解决岩石破坏后岩石力学问题，准确计算扩容是非常重要的，如模拟地下巷道的实际工程问题，还有如剪切带方向等理论问题。这说明推倒一个理论方法是很重要的。扩容角就是一个有足够意义且十分简单公式化了的扩容模型。这个扩容角可以体现扩容的依赖性，而且能够容易地用数字符号表示。扩容角能够描述在压缩实验中岩石变形行为特征。岩石可塑性和围压对岩石扩容显著影响可以得到体现，同时，岩石尺寸对扩容的影响也能间接反映出来。岩石扩容的尺寸效应间接包含在扩容角公式中，在此不作特别讨论[6,7,8]。扩容角是一个描述扩容材料变形特征的合适参数，因为它把可塑性剪应变描绘成为可塑性体积变化率。扩容角同样定义了岩石或岩体随着破坏产生的体积增加或体积膨胀。很多作者提出下列等式来确定扩容角的更一般表达式[6]：(1)式中为扩容角,是轴向塑性应变，是体积应变。对于深部地向井巷工程，影响围岩塑性区岩石扩容的主要参数是岩石的可塑性和围岩压力，扩容角中必须要包含可塑性参数和围压。为此，下面主要针对岩石可塑性和围压对岩石扩容影响进行讨论，探讨扩容模型。岩石扩容与岩石可塑性DuncanFama及其他学者给出了应变软化模型和修正的Hoek和Brown破坏准则，修正的Hoek和Brown破坏准则通过软化参数按照可塑性水平引入了可塑性参数。在用扩容角对岩石扩容进行讨论时，定义了岩石塑性扩容因子Kψ来表征岩石的扩容状态。它是可塑性参数的函数。下面我们对等围压进行讨论[6,7]。纤对于标准传三轴试验墓，显然，煮在均匀变辅形情况下证，臣和屯,妻因此，由奉公锡式揉(1惩)宝可得到如底下形式秩简缘枣宏（缎2赛）功又扩容因板子有如下今表达式交[6]舍政齐太甜众（搏3今）辫由公式俘（抽2薪）和号（多3裤）可得泉微谅阀（怀4老）开通过式艇（大4章），岩石曲扩容与可素塑性参数按值之间的依有函数对浪应关系。势下面是绿由禁MTS8窗15.0薪2路S蓝型电液伺友服岩石力奉学实验系虹统得到的若不同围压施下某工程返中底板泥宜岩轴向应献力香-希应变曲线筑和径向应挂变搅-两轴向应变森曲线设[4]赔。我们通森过试验结万果来分析腿岩石扩容向与岩石可纠塑性之间滤的关系。逃图洗1驱滴不同围压以下底板泥汤岩的全应脊力应变曲庙线耳F园ig.较lCo摊mple屠ter扣adia邮lst燥rain郊-axi荷als柳trai参ncu谱rve察oft少hes尸olep努late失mud样ston元eat绑dif吊fer秀conf睬inin伯gpr竿essu杏re钓图铃2耐码不同围压费下径向应们变财-完轴向应变萍曲线减F感ig.井2Co丸mple状ter炕adia率lst辽rain何-axi穿als撇trai昂ncu晕rve蛋oft梢hes南olep穗late锄mud副ston烦eat结dif穿fer像conf严inin放gpr茧essu追re蜜不同围压涝下全应芽力剩-天应变曲线形，如胀图各1鸟。分析图爹中曲线可俩以看出，巡围压达蛛到效30MP减a涝时，底板浊泥岩接近籍于理想塑展性状态。秀可以发现确，在一般伐的地下岩训石工程中络原岩应力睁小于这一闪数值，所合以在通常充情况下，巾巷道围岩箩处于塑性换应变软化直状态。因栽此，必须恳讨论不同逮可塑性对嚼扩容的影直响。创图弟2户是不同围佛压下径向然应肿变扁-特轴向应变舌曲线。岩蒜石在软化狸阶段的径掏向应变明携显大于轴耀向应变，趟且在此试浙验数据中忠，峰后径煤向应变与怒轴向应变心近似成线辅性变化关蜂系，即在既同一种围慌压下的塑浩性软化阶抓段，柄近似为一枝常数，围痰压不同时旦，黎值也不同暑。因此，渣可以认为蛮在同一种增围压下的游塑性软化帖变形阶段龄，岩石可对塑性佛不变，岩掩石的扩容妇不受可塑碗性影响；非当围压不谜同时，可卸塑性发生呆了变化，胶影响岩石昼扩容。也姻就是说，挠岩石可塑兽性不是单冰独影响岩轿石扩容，曾而是和围刑压一起影考响岩石的话扩容状态夸。促在此说明赢，岩石可蜓塑性参数遭不同于塑游性软化参厅数名，在相同抄围压下的宴塑性软化呢阶段，软棒化参数随爸岩石扩容续程度会发大生变化。狡4扮蛇岩石扩容徐与围压雄岩石扩容间是由于应锹力作用产半生的，不仰同应力状因态下岩石薄扩容有很橡大差别愈[5]崇。灵在当图过2伍中看到，假不同围压急下的径向立应济变择-喘轴向应变序曲线应变洲软化段是列近似直线按的关系，浆通过汉公式孟（质2玻）、验（抛3秧）和比（孝4庙）奇得到窑表钻1绣。即在等弊围压下岩出石峰后的似扩容角心和塑性扩银容因子缎K童ψ番均为常数馅。不同围糠压下岩石嚷峰后的径台向应旨变初-桶轴向应变跃曲线身值不同，葵得到的扩肥容角和塑狗性因子也古不同。帮图浆3棵狗不同围压零下体积应杂变隐-今轴向应力革曲线绣F狼ig.喜3Co武mple傻tev丘olum辰etri躬cst连rain叙-axi师als原trai纳ncu稠rve疤oft挽hes券olep设late敏mud妨ston租eat绘dif挂fer霉conf捷inin读gpr缸essu碌re雪表筐1缘铜不同围压架下扩容参纪数值想T盟able送1D鄙ilat塑ion横para泽mete摄rva记lue醋atd请iffe恶rco粉nfin列ing悲pres调sure叼围压烟5疮10赠15见30津-0.6监8渠-1.2芦5扣-1.0失3截-0.9匹7临扩容角其8.77法25.3灶8弊20.2触7时18.6跃5余扩容因茶子酷K指ψ境1.36母2.50翠2.06蜘1.94雀从节图蒜1废、库图咐2忽和手表催1诚中分析，捉除围压砖为疗5MP卖a赔外，岩石讨扩容随围塑压增加而诚减少。围熔压难为贫5MP饶a沃时，岩石遍破坏接近绕于脆性，撒峰后应力危从峰值强斥度直接跌肆至残余强跨度，不属栗于塑性软雨化变形。与我们可以悼从其沾它键3销个不同围并压实验得垂到岩石软惹化阶段的闸扩容变化胶规律，即等岩石扩容店角和扩容况因子随围听压的增大冻而减小。筛图穗3朵是不同围揭压下体积宪应省变示-且轴向应变袭曲线。岩汽石扩容的蕉起始点随割围压的增斜加所需要围的轴向应即变也增加训，岩石扩帮容率随围勒压的增加苹而减小。黄扩容角就棒是表征扩陷容率的参躁数，我们驱可以从铁表泪1兰看出。紫从以上讨逗论中我们纳可以知道灰，岩石扩搁容角是可撞塑性参数涉和围压的夫函数，它驶们之间存滥在的关系记可以用函其数表达。邻本文中由忘于试验数程据不多，赤无法推出擦其表达式华。但得到被的结论具筐有参考价辅值。抬5疤祥结论蓬等围压时亿，岩石峰灰后扩容特愧性主要受酬岩石可塑狸性和围压病影响，可翼以通过扩乓容角体现出。草岩石可塑首性越强，朗岩石的扩遣容越明显甲。坐岩石峰后肿扩容随围寒压增大而狮减小，且南围压对岩僵石可塑性钢也有显著腹影响。构岩石扩容牢角是可塑止性参数和夫围压的函刻数，在数禁据充分的皱情况下，堤可以推得闻岩石峰后泼扩容模型认。矩参考文炕献涛(Ref旬eren却ces蛮)丹：扇[1]徒胃靖洪幸文校,分惰李世缺平岛.约句零围压下讯岩石剪胀芽性能的试辣验研遥究悉[J].卸勺中国矿业拒大学学阔报饥.19衫98,掏2围7闷（揉1蜜）埋：腹19-2融2.予[2]堤踩靖洪守文新,痕弃许国戚安汪,劲宫谢述新趣等宋.熔拦不同围压登下大理岩冶剪胀试验循研设究即[J]拴.撤河海大学阀学歼报座.20孕01,梅29竿(碎增马刊匀):3纺1-33青.岂[3]界陆靖洪劫文羞.驳尊峰后岩石秀剪胀性能捆试验研雹究翅[J].奥那岩土力芦学健.20糠03,价24(1奖):9棚3-97寄.友[4]痕屑李昌晓尝.清乐岩石峰后花力学特性牢及其损伤悦软化模型预的研究与饶应萝用鼠[密博士论冶文挥D].坟稿北批京杀.痒淹中国矿业插大乖学侧.19控95.斗[5]呜及许东蚕俊遵,晶划李小秆春储,哥贞蔡忠党理极.已荣应力状态秀与岩石扩衬容特淘性宜[J].欣侦岩土力倾学思.19签92,调13(2付,3):薪37-碌44.牛[6]爽蛮L.R.搞Ale堆jano棚,E.恭Alo分nso呢.握Cons先ider孩atio泊nso兼fth炉edi昨lata艰ncy耕angl芳ein盟roc闪ksa吉ndr争ock够mass害es暮.央Inte走rnat鄙iona脉lJo叶urna搁lof贝Roc盯kMe疑chan匆ics驴&Mi怨ning夺Sci幅ence绝s孩.200睡5.盯42(尿2005睁)个:处481丸-粱507骡.搂[7]民坛Shih腹-Che柴Yua特n,J跃.P.框Harr胆ison玩.皱