基金项目:国家自然科学基金新疆联合基金重点资助项目(U1903209); 国家自然科学基金面上项目(52274092); 江苏省产学研合作项目(BY2021188)
第一作者:季 明(1982—),男,博士,副教授,主要从事岩石力学与巷道围岩控制方面的研究.E-mail:jiming@cumt.edu.cn 通信作者:张益东(1964—),男,博士,教授,博导,主要从事采矿工程相关研究.E-mail:ydzhang@cumt.edu.cn
(1.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏 徐州 221116; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037; 3.美国科罗拉多矿业学院 采矿工程系,掘进工程与地球力学研究所,美国科罗拉多州 高登市 80401; 4.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221116; 5.中煤科工集团 重庆研究院有限公司,重庆 400039)
幂函数分布; 损伤; 裂隙; 本构方程; Mohor-Coulomb准则
(1.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining, Ministry of Education,China University of Mining & Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2.State Key Laboratory of The Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China; 3.The Excavation Engineering and Earth Mechanics Institute(EMI), Mining Engineering Department, Colorado School of Mines; Golden 80401, USA; 4.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety, China University of Mining & Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 5.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)
power function distribution; damage; fractures; constitutive equation; Mohor-Coulomb criterion
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2023.03.002
岩石作为天然的地质材料具有复杂的结构,工程特性多变,其强度参数以及载荷作用下的变形特征是岩石力学研究关注的焦点[1].众多学者采用实验测试的方法获得了岩石的各种强度参数以及在载荷作用下的变形破坏、能量演化等特性[2-4]; 也可以通过岩石的本构关系预测岩石的变形情况,开展相关的工程设计,所以,岩石的本构模型以及模型中相应参数的确定同样是当前岩石力学与工程领域中的研究热点之一[5-6].
早期的岩石本构模型相关研究是以经典连续介质力学理论为基础的,因连续介质力学理论的严密性,岩石力学研究已取得很大进展,它可以反映岩石部分表观力学特性,但该理论对岩石采取了连续性、均匀性等假设,然而,很难完整地反映和预测岩石材料在受载状态下的力学响应,尤其是岩石内部损伤演化及峰后变形破坏等过程,究其原因,从细观角度来看,岩石是由很多种物理及力学性质各异的介质构成,同时介质的排列也并非完全致密,岩体内部存在着各种各样的微观节理裂隙,即岩石材料非均匀性和非连续性较强[7-8].
岩石失效是由于组成岩石的介质本身损伤不断累积,进而导致材料丧失承载能力,1976年,J.W.Dougill等[9]首次将损伤力学应用于岩石、混凝土等工程材料,随后基于损伤力学的研究,众多学者从多角度开展了相关工作:如选用弹性模量、波速[10]和声发射特征参数[11]等某种宏观可测的参量来定义损伤变量; 或将已破坏的岩石占整体的比例定义为损伤变量,从岩石介质的非均匀性和非连续性出发,借助统计方法[12-14],以一定的概率分布来表征岩石破裂非均匀性[11,15],建立了能够反映岩石变形破坏力学行为和介质非均匀性分布的岩石统计损伤本构方程[16-17],这类研究侧重于探讨微元强度破坏准则和分布类型[11,18-20]、确定模型参数[21-23]等问题.
基于统计理论的岩石损伤模型常用的概率分布函数有Weibull分布函数[11,23-25]、正态分布函数[26-27]、幂函数[28-29]等,所构造的统计损伤本构模型在拟合岩石本构关系以及描述岩石变形破坏过程中取得了一定成效,能够部分反映岩石的本构特征,但Weibll分布损伤模型不能很好地体现岩石加载初期的压密和弹性过程[11]; 正态分布函数模型中部分的参数值需要通过查询正态分布表获得,实际应用不太方便[27]; 幂函数分布模型的本构关系不能反映岩石的峰后加载特性[28].
本文基于岩石微元强度的破坏服从幂函数分布的假设,考虑破坏单元具有残余承载强度,在岩石单轴损伤本构方程的基础上,修正了三轴条件下的损伤本构方程,并进行了实验验证,结论可为岩土力学的相关研究作参考.
假设岩石由N个微元结构组成,受载条件下,其内部有Nd个微元结构发生损伤破坏,引入统计损伤变量D,可表示为
D=Nd/N, 0≤D≤1 (1)
由式(1)可知
研究表明:岩石内部各微元结构强度F满足数学上某种统计概率分布,当某微元结构所受应力为[σ,σ+dσ]时,则其失效概率P为
P=p(σ)dσ (2)
式中:p(σ)为概率分布密度函数.
那么岩石内部,在[σ,σ+dσ]区间上失效的微元结构数dNd为
dNd=NP=Np(σ)dσ (3)
当岩石内部微元结构自身承载能力小于外界荷载σ时,它们将发生破坏失效,则其数目Nd为
式中:P为概率统计函数.
联立式(1)和式(4)可得
D=P(σ) (5)
式(5)为基于统计强度理论导出的岩石统计损伤演化方程.函数值P(σ)随着应力水平σ增大而增大,变化区间[0,1],与损伤变量D变化规律一致.
在Rabotnov有效应力概念[24,30]基础上引入损伤变量,则有效应力为
σ=σ/(1-D) (6)
式中:σ为有效应力,MPa; σ通常称为表观应力,MPa.
假定岩石内无损部分是线弹性材料,用有效应力σi代替线弹性Hooke定律中的表观主应力σi,则主应变εi为
εi=1/E[(1+μ)σi-μ(σ1+σ2+σ3)],i=1,2,3 (7)
式中:E和μ为岩石变形参数.
基于应变等价假说,联立(6)式和式(7)式,考虑假三轴条件下,σ2=σ3,则轴向主应变可表示为
ε1=(σ1-2μσ3)/(E(1-D)) (8)
由式(8)可得损伤变量D的表达式为
D=1-(σ1-2μσ3)/(Eε1) (9)
对于单轴压缩试验,损伤变量D可表示为
D=1-(σ1)/(Eε1) (10)
岩土工程中最常见的强度准则是Mohor-Coulomb准则(后文简述为M-C准则),M-C准则的有效应力表达式为
σ1-σ3+(σ1+σ3)sin φ-2c cos φ=0 (11)
式中:σ1、σ3分别为最大和最小有效主应力; φ、c为岩石材料常数.
根据M-C准则,微元的统计强度F可以表征为
F=σ1-σ3+(σ)1+σ3)sin φ (12)
如果F>2c cos φ,则微元发生破坏; F=2c cos φ,微元处于临界状态; F<2c cos φ,微元未发生破坏.
结合式(1)、式(9)和式(12)可得
F=(Eε1)/(σ1-2μσ3)[σ1-σ3+(σ1+σ3 )sin φ] (13)
上式为由表观应力σ1、σ3和轴向应变ε1表示的微元的统计强度表达式.
岩石的损伤演化是一种随机演化,可把这一演化过程视为非平衡统计,即微元统计强度概率遵循幂函数分布,分布函数为
P(F)=(F/(F0))m (14)
其分布密度函数为
p(F)=m/(F0)F/(F0)(m-1) (15)
式中:m, F0为分布参数.
联立式(5)、式(13)以及式(15),基于幂函数分布的损伤演化方程为
联立式(16)和式(9),假三轴条件下,基于幂函数分布的岩石损伤本构方程可表示为
在单轴压缩情况下,将上式σ3取0,即可得相应的损伤本构方程为
定义εc、σc分别为单轴压缩条件下岩石峰值强度点对应的应变和应力,则ε=εc,σ=σc,且dσc/dεc=0,记a=(1+sin φ)/F0,可得
(aEεc)m=1-(σc)/(Eεc) (19)
1-(aEεc)m=m(aEεc)m (20)
利用式(19)和式(20)可对m、a进行求解.
为了考察统计损伤本构方程的正确性,实验室对三块岩石样品分别进行单轴压缩试验,并对所提本构方程进行验证.
岩石试件采用的某矿顶板岩层的砂岩样品,单轴抗压强度在50~80 MPa,较坚硬,呈脆性特征.岩石试件的尺寸为直径50 mm,高100 mm,符合岩石力学实验的相关标准.岩石单轴加载试验利用中国矿业大学MTS 815.02(图1)完成,位移控制模式,以0.001 mm/s速率加载直至岩石试件完全破坏为止.
根据试验数据,基于幂函数损伤本构模型,结合式(19)和(20),计算了相关参数,分别绘制了理论曲线与试验数据曲线,如图2所示.
由图2可知,理论应力-应变曲线与岩石单轴压缩试验曲线大致吻合,主要表现以下两点:
(1)理论本构方程能够表征单轴压缩过程中岩石弹性、屈服以及峰后应变软化等阶段.
(2)理论曲线能够较好地表述实验曲线的峰值应变和峰值强度.
基于幂函数分布的损伤演化方程,绘制岩样加载过程中损伤变量演化规律图,如图3所示.
岩石加载过程中,其内部损伤与裂隙演化存在相关性,大致分3阶段:无损伤阶段(OE),对应于岩石应力-应变曲线压密阶段及线弹性阶段,首先表现为原生裂隙封闭,随后表现为线弹性变化,几乎不产生新的损伤,损伤演化曲线表现为相对持平; 加速增长阶段(EF),对应于岩石应力-应变曲线弹性极限达到峰值至峰后产生较大应力降部分曲线,该阶段由线弹性阶段的裂缝稳定扩展,过渡到非稳定扩展,逐步出现质的变化,直至破裂,应力出现较大的应力降,此过程损伤曲线表现为快速增长,迅速达到损伤的70%~80%; 减速增长阶段(FG),对应于岩石应力-应变曲线出现大幅应力跌至完全破坏阶段,此阶段仍存在裂隙萌生和扩展现象,但增幅已相对减缓,直至完全损伤.
岩石在单轴压缩过程中,由于没有侧向压力限制,往往在峰后岩石应力迅速跌落为零,即一般情况下,单轴应力应变实验曲线岩石不存在残余应力,理论本构模型(式(17))不能够反映岩石峰后的残余应力状态.
为了能够更完善的反映三轴应力下岩石存在的残余应力状态,假设岩石受载时产生的损伤由未损伤和损伤两部分组成,二者共同承担外部荷载; 如图4所示,假设σ1、σ'1、σ″1分别为岩石材料、岩石材料没有损伤部分以及岩石材料损伤部分的有效应力,A1、A2分别为岩石材料未损伤部分(空白区域)和损伤部分(阴影区域)的横截面积.
由图4可得:
σ'1A1+σ″1A2=σ1A (21)
式中,A=A1+A2.
又因为:D=A2/A,有
σ'1(1-D)+σ″1D=σ1 (22)
式中,σ″1视为破坏单元的残余承载强度,可以看出:当D=1时,σ″1即为岩石破坏后的残余强度.此时,考虑破坏单元具有残余承载强度,则轴向主应变可以表述为
可得损伤变量D的表达式为
考虑破坏单元具有残余承载强度,根据M-C准则,微元统计强度F可以表征为
那么,修正的基于幂函数分布三轴损伤演化方程为
则基于幂函数分布的修正三轴损伤本构方程为
考虑单轴应力,且无残余应力情况,此时σ3=0,(~overσ)″1=0,式(27)退化为式(18).
定义εc 、σc分别为三轴压缩条件下岩石峰值强度点对应的应变和应力,则:ε=εc、σ=σc,且(dσc)/(dεc)=0,可得
式(28)和式(29)中:
可求出分布参数m, F0的值.
为验证上节中三轴损伤本构是否合理,采用砂岩标准岩石力学实验岩样的实验数据进行验证,试验同样利用MTS815.02完成.实验具体过程为:①应力控制模式,以0.05 MPa/s速率施加σ2=σ3至预定值(10、20、30 MPa); ②位移控制模式,保持围压σ2(σ3)不变,以0.001 mm/s速度施加σ1直至岩样破坏; ③位移控制模式,继续峰后阶段测试,获得岩石全应力-应变曲线.
图5为砂岩在三种围压条件下的全应力应变曲线,峰后表现出明显的残余强度.
根据实验数据可得出岩石的弹性模量、泊松比、参与强度值,借助式(28)和式(29)求出相应的F0和m值,具体见表1.
根据式(27)可写出三轴条件下的损伤本构方程,利用该损伤本构方程可绘制相应的本构模型曲线,如图6所示.
由图6可知,本构方程理论曲线与岩石试验曲线吻合度较高,说明本模型既可表征三轴压缩状态下岩石峰前的非线性及应变软化特征,也可反映峰后残余强度特征,具有良好的普适性.
图6 三轴压缩条件下理实曲线对比
Fig.6 Comparison of theoretical and experimental curves under triaxial compression conditions
根据式(30)可以绘制砂岩常规三轴压缩试验过程中,岩石基于幂函数分布的损伤演化方程下的损伤规律变化曲线图,如图7所示.
由图7损伤-应变关系曲线可以反映出:
(1)变形初期,岩石基本保持无损状态,损伤变量近似为0; 当变形不断增加达到某个值后,损伤变量开始增大,且增长速度逐渐加快;
(2)考虑不同围压条件,岩石产生相同的变形,围压越大,损伤程度越小; 考虑岩石损伤达到同一水平,围压越大,变形量越大; 这一规律符合工程实际;
(3)损伤-应变曲线随围压增加逐渐变缓,即岩石损伤演化速度与围压呈负相关,反映出高围压可强化岩石抗损伤能力.
(1)基于微元统计强度概率服从幂函数分布的假设,推导了单轴应力条件下岩石的损伤本构方程,并进行了砂岩试件的验证实验,实验证明:本构方程能较好的表述砂岩单轴压缩实验过程中的应力应变关系;
(2)单轴应力加载过程中,砂石的损伤演化规律和裂隙演化过程有良好的对应性与相关性;
(3)考虑岩石在围压效应下存在残余强度,对岩石的三轴损伤本构方程进行了修正,修正后能有效表征三轴压缩状态下岩石峰前非线性、应变软化以及峰后残余强度等特征;
(4)随着围压的增大,损伤-应变曲线逐渐变缓,证明增大围压可强化岩石抵抗损伤的能力.