三种不同岩体毫秒级变形速率及能量模拟研究

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本文通过不同波形变频变峰动荷载或者循环加卸载模拟地震、库区水位骤升骤降、爆破引发的振动、施工运营期的机械振动等诸多动载荷工况对岩体的作用,对砂岩、灰岩和石英云母片岩的变形速率、加载速率以及能量进行了毫秒级模拟研究,本文的主要研究成果如下:  1)在模拟过程中,创新的提出了针对毫秒级动力作用下垂向力变化速率、垂向变形速率、表观弹性模量、横向变形速率、瞬时泊松比的概念并作相关分析,这些概念在公式定义上跟常规的力学公式类似,但其在毫秒级动力领域的数值和变化规律与静载和监测时间间隔较长的动载都有显著不同的;提出了滞后时间的新概念,滞后时间为变形速率相对加载速率的滞后时间;并提出两个滞后效应引起的能量损失度量参数:加载中损失的弹性变形量,卸载过程的弹性能转换率。  2)进行了毫秒级动力作用下位移速率和加载速率预测公式研究,具体研究成果如下:  ①在三角波力控制加载模式下,即已知加载速率,推出位移速率的预测公式:在三角波位移控制加载模式下,即已知位移速率,推出加载速率的预测公式:  ②在正弦波力控制加载模式下,即已知加载速率,推出位移速率的预测公式:在正弦波位移控制加载模式下,即已知位移速率,推出加载速率的预测公式:  ③不同频率砂岩正弦波,加卸载段一次项拟合系数a都随峰值加载值的增大而逐渐降低,常数项拟合系数b都随峰值加载值的增大而逐渐增大,卸载段a值/加载段a值均在2左右波动,波动幅度小于12%;砂岩三角波和灰岩三角波卸载段a值都远大于加载段a值,当围压到一定高时,两者趋于接近;  ④对比分析不同载荷峰值下变形速率计算值与实测值,推导的位移速率预测公式能够精确的模拟实际位移速率变化趋势;  ⑤提出错峰的概念并解释了错峰现象。  3)在上一章的基础上提出了不同波形、不同频率和不同荷载峰值毫秒级能量模拟预测公式,能量吸收速率和能量释放速率公式,具体研究成果如下:  ①在三角波力控制加载模式下,即已知加载速率,推出岩体吸收能量预测公式为:推出此时岩体能量吸收速率或能量释放速率  预测公式为:  ②在三角波位移控制加载模式下,即已知位移速率,推出岩体吸收能量预测公式:推出此时岩体能量吸收速率或能量释放0速率预测公式为:  ③在正弦波力控制加载模式下,即已知dfdt的表达式,推出岩体吸收能量预测公式为:推出此时岩体能量吸收速率或能量释放x速率预测公式为:  ④在正弦波位移控制模式条件下,位移模式已知、加载力初始值已知和的基本变化形式所含未知参数不大于1的前提下,可推出岩体吸收能量预测公式:此时岩体能量吸收速率或能量释放速率预测公式为:  ⑤根据能量预测公式,给出不同荷载峰值砂岩正弦波预测能量与实际能量对比图;给出不同频率不同荷载峰值砂岩正弦波预测能量和实际能量对比图;给出不同荷载峰值、不同波形加载下砂岩预测能量值和实际能量值的对比图;能量预测值能很好的拟合能量实际值,说明了所提出的能量预测公式的准确性和精确性。  4)在定义了变形速率相对于加载速率的滞后时间,给出了不同滞后时间判别方法的基础上,进行了不同波形、不同频率、不同荷载峰值和不同岩性对该滞后时间影响的研究,定量的指出了滞后时间对岩石吸收和释放能量的影响。  5)考虑了加载速率、围压、位移速率和不同岩性因素,对表观弹性模量均值、变形速率或加载速率、能量这些计算参数变化规律的影响。  6)进行了循环加卸载峰前峰后加载不同阶段拟合系数a、b值、表观弹性模量、加载速率和能量发育规律的对比研究。
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