本文是一篇土木工程论文，本文通过分析动力荷载对岩石蠕变失效的扰动机理，基于理论方法描述动力扰动对脆性岩石蠕变特性的影响，建立了能够较好反映动力损伤导致岩石蠕变破坏特性的宏细观力学模型。
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究背景及意义
1.1.1研究背景
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。近年来，随着我国的经济高速发展，对于能源的需求也与日俱增。二十世纪末统计结果表明，我国埋深小于一千米的可靠级煤炭储备量仅为9169亿吨[1]，由于近几十年的过度开采，浅层矿产资源日益枯竭。与此同时，我国深部矿产资源储备丰厚。相关部门预测，我国埋深在两千米以内的煤炭资源存量约为5.6万亿吨[2]。在浅部资源逐渐枯竭的背景下，目前我国许多矿山进入深部开采状态，深部地下资源的开发将成为解决目前能源不足的有效方式。在1000m~2000m的深部，地质条件相比于浅部更为复杂、岩石处于高应力状态，破裂程度大，深部矿产开发面临前所未有的巨大挑战。随着开采深度不断增加，工程灾害日益严重。诸如岩爆、瓦斯突出、冲击地压、岩石蠕变等，严重威胁到深部岩土工程安全以及矿产高效开采[3-4]。
与浅部地下工程相比，深部矿井开采难度更大，施工环境也更加恶劣。深部地质环境更为复杂，深部地下工程洞室开挖后或运营阶段，围岩往往处于恒定高地应力初始状态，导致脆性岩石内部裂纹缺陷处于一种初始损伤状态，此时岩石变形是蠕变变形。当受到不同外部动力荷载时，岩石的动力响应不同。对于同一种围岩中的岩石承受不同的初始地应力，导致岩石处于不同的初始裂纹损伤状态，当承受相同外部动力荷载时，岩石动力响应也不同。岩石在蠕变过程中，受到动力扰动时，在一定时间内处于稳定状态，但动力扰动作用导致的细观裂纹损伤会在中围岩中累积，局部应力环境改变；动力扰动能量越大，扰动次数越多，岩石中累积的裂纹损伤越大，并在损伤大量形成后使得岩体发生加速蠕变破坏[5-8]。上述岩石承受的力学现象属于一种静-动力组合加载。目前普遍认为冲击地压现象是由这种静-动力组合加载诱发。2021年10月11日，陕西彬长胡家河矿业有限公司某采放顶煤工作面回风顺槽发生一起较大冲击地压事故，造成4人死亡、6人重伤，直接经济损失1391.26万元。冲击地压是一种动力现象，它会在井巷或工作面周围的岩体中发生。当岩石受到压力而发生弹性变形时，能量会在短时间内瞬间释放，导致突然而剧烈的破坏。这种现象往往伴随着煤岩体抛出、巨响及气浪等现象，对人员和设备造成严重的伤害和损失。冲击地压的震动会导致人员碰伤，同时也会造成冒顶、片帮、支架折断等事故。此外，冲击地压还会导致片帮、底鼓、冒顶等现象，这些现象会导致巷道被堵塞、支架被损坏、机械设备被移位、风门被暴风摧垮，从而迫使采煤停止。冲击地压还会对地面房屋造成震坏和开裂等影响。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 预压应力岩石动态力学性能研究现状
众多学者通过预压轴向静载作用的动力霍普金森杆试验，研究了不同轴向静载作用下的岩石轴向动态应力应变关系曲线，及相同轴向静载作用的不同动态荷载影响下的应力应变曲线，并分析了预压轴向荷载与动态荷载对岩石能量变化特性及破碎程度的影响。图1-3为霍普金森压杆试验系统。宫凤强等[11]发现应变率一定时，轴压比会对岩石受到外界冲击的动力响应有很大影响，随着轴压比的增加冲击强度会呈现先增加后减小的趋势。李树刚等[11]发现加载速率的不同对弹性能演化过程基本无影响,但造成岩样破坏前积聚的最大弹性能增加。刘少虹等[12]发现煤岩体存在结构特性，能够增加对动静荷载的抵抗能力，减小岩体的破碎程度。由于动荷载作用时间尺度远小于静载，结构特性会放大对静载作用效果而减小动载作用效果。金解放等[13-14]对岩石进行静载荷和循环冲击组合试验，发现每次冲击能量相同情况下，峰值应力随冲击次数增加而减小。
第2章 预压脆性岩石动态破坏的宏细观力学模型研究
2.2宏细观力学模型推导
本文基于翼型裂纹扩展模型，提出了一种预压应力作用下，脆性岩石动态宏细观力学模型（图2-1）。其中轴向预压应力为σ1pre，围压为σ3，动态荷载为σ1(t)。模型初始损伤为Do=NV a3 [51], NV代表单位体积内岩石内部初始裂纹数量（即裂纹密度），a为岩石初始裂纹尺寸。参数σ3i为相邻翼型裂纹面上的内应力，Fw为初始裂纹面楔力，这两个参数对于判断岩石裂纹相互作用有重要意义。
图2-2中给出了预压应力作用脆性岩石，承受动态荷载作用下的轴向应变率随轴向应变的演化趋势，当岩石承受预压静态应力阶段岩石应变率保持恒定(取值近似为0)，达到一定的预压应变值ε1pre后，当岩石承受动态应力波荷载作用阶段岩石应变率随应变先增大后减小的变化趋势，其可以通过常数与三角函数组合方程近似地描述，将该组合方程与图2-1中提出的宏细观力学模型相结合，则可以很好地解释预压应力脆性岩石动态宏细观力学机理。具体理论推导详见下文。
2.3模型合理性验证
基于上述提出的力学模型，选取某砂岩预压轴向应力动态应力应变曲线试验结果[1111]，确定了模型参数。具体参数KqsIC=1.45 MPa·m1/2，m=1.0，εo=1/20，φ =36˚，μ=0.6，a =3mm，β=0.276，Do=0.046，γ=0.27，ρ =2471kg/m3，E =17.32GPa，R=0.014。模型参数选取方法及取值大概范围可参考文献[53,56,57]。具体模型参数，通过对比分析本文提出的预压岩石动态应力应变曲线与试验测取的应力应变曲线，进一步试算而最终确定。
图2-3(a)中给出了预压轴向应力对动态应力应变曲线影响的理论与试验[11]对比分析结果。可以看出，应力应变曲线演化趋势一致，峰值强度均是随着预压轴向应力增大而降低，峰值轴向应力对应的轴向应变随着预压轴向应力增大而增大。
图2-3(b)中给出了不同应变率对预压应力岩石应力应变曲线影响的理论与试验[11]对比分析结果。可以看出，应力应变曲线变化趋势一致，峰值强度随着应变率增大均是不断增大，峰值应力对应的峰值应变随着应变率的增大也存在增大趋势。
第3章 循环动力荷载下的预压脆性岩石本构关系探究 .................... 17
3.1 引言 ........................... 17
3.2 应变率对岩石动力应力应变关系的影响 .................................... 18
第4章 动力扰动下脆性岩石蠕变破坏宏细观力学模型 .................... 25
4.1 引言 ................................. 25
4.2 宏细观力学模型推导 ............................. 25
第5章 动力扰动脆性岩石蠕变过程中的动力损伤演化形式优化 .... 42
5.1 引言 ............................... 42
5.2 一次多周应力波扰动动力损伤研究 .................... 42
第5章 动力扰动脆性岩石蠕变过程中的动力损伤演化形式优化
5.2一次多周应力波扰动动力损伤研究
在经过稳定轴向压力加载预压后，对岩石施加一段多个完整周期的应力波荷载，加载一段时间后继续施加轴向压力加载。根据第四章的研究，一个完整周期应力波加载会导致动力损伤的跃迁突增，故可假设在一次多周期应力波加载过程中，动力损伤会在每个周期应力波加载开始的时刻发生阶梯跃迁突增。然而在实际研究中，一次应力波加载会包含大量完整周期，无法将每个周期动力损伤跃迁全部呈现，因而可以将一次多周期应力波加载等效为n个相同的完整周期的应力波连续加载，等效周期为应力波加载时间的n分之一，定义动力损伤在每个等效应力波加载的时刻发生阶梯跃迁增加，故动力损伤会在加载过程中发生n次跃迁，第n次跃迁突增动力损伤突变值为Δdn。图5-1给出了一次多周应力波路径对应的动力损伤演化曲线。
结论
基于岩石细观裂纹扩展力学模型、动静态裂纹扩展法则、动态动力损伤效应，建立了一种预压脆性岩石动态冲击破坏宏细观力学模型、与动力扰动下脆性岩石蠕变宏细观力学模型。前一个动态模型为后一个动力扰动蠕变模型理论计算中的初始应力、应变、裂纹长度等参数选取提供重要依据。主要研究了岩石受到应力波动力扰动时的蠕变失效特性，通过实验结果验证了模型的合理性。结论如下：
（1）随轴向预压应力增加，岩石动态峰值强度不断减小，岩石峰值强度对应的峰值应变、预压轴向应力导致的预压裂纹长度及轴向应变均增大。当预压轴向应力一定时，随着动态应变率的增大，动态峰值强度增大，峰值强度对应的峰值应变也增大。在给定预压轴向应力及应变率下，随初始裂纹摩擦系数或围压提升，或初始裂纹尺寸减小，岩石动态强度提高，动态强度对应的峰值应变、预压裂纹长度及预压轴向应变均减小；随裂纹角度的增加，动态强度先减小后增大，预压裂纹长度与预压轴向应变先增加后降低，峰值轴向应变增加。
（2）应变率变化幅值越大，每次周期性变化间隔的应变差值Δε1越小，应变率循环次数越多，岩石的峰值强度越大。其中应变率幅值变化不影响峰值应力对应的轴向应变大小，而Δε1越小、循环次数越多，岩石的峰值强度对应的轴向应变越小。随着应变的增大，应变率变化对于本构中轴向应力的影响越小。初始应变越小，岩石的峰值强度越大，岩石的峰值强度对应的轴向应变越小。裂纹扩展速率也有相似的结论。
（3）动力损伤增大，岩石轴向应变越大，岩石蠕变失效发生时间越短。动力损伤变化发生时刻以及增加的形式，对岩石应力波加载后的应变以及蠕变破坏时间没有影响。可将动力损伤等效为在应
