准静态应变率下的煤岩非线性力学特性
来源期刊：煤炭学报2019年第5期
论文作者：刘晓辉 郝齐钧 吴世勇 张茹 余洁
文章页码：1437 - 1445
关键词：煤岩;准静态应变率;力学特征;非线性;本构方程;
摘 要：为研究开挖扰动下煤岩的非线性力学特征,利用MTS815伺服刚性试验机对芙蓉白皎煤矿煤岩进行10-5～10-2s-1准静态应变率下的单轴压缩试验,分析准静态应变率下煤岩的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学特性的变化规律,基于煤岩显著的非线性力学特征,修正并验证黏弹性损伤本构模型的合理性。研究表明:①煤岩单轴压缩荷载作用下具有明显的压密、线弹性、塑性屈服、峰后破坏4个阶段;煤岩力学特性应变率相关性突出,随着应变率的增加,压密阶段缩短,线弹性阶段增长,屈服阶段应力强化特征及峰后破坏阶段应力软化特征趋于明显;②由于原生裂隙的闭合和扩展,煤岩受载作用下,各阶段均呈现显著的非线性力学特征,随着应变率的增加,压密阶段和线弹性阶段表现出的明显非线性特征呈减弱趋势;③准静态应变率10-5～10-2s-1范围内,抗压强度随应变率增加由8. 83 MPa增加至12. 57 MPa,增长率42. 35%;弹性模量随应变率增加总体呈现先增加后减小的变化趋势,在10-5～10-4s-1应变率区间,弹性模量由1 644 MPa增加至1 825 MPa,随后在10-4～10-2s-1应变率区间内减小,变化趋势发生明显转折;泊松比在准静态应变率下随应变率增加而呈现逐渐减小的变化趋势,从1. 53下降到0. 71,减小53. 59%;整个准静态应变率范畴下,煤岩的力学特征参数（抗压强度、弹性模量、泊松比）均表现出显著的非线性变化趋势,均在临界应变率10-3s-1附近发生转折。④利用一个损伤体和一个Maxwell模型并联方式,综合考虑准静态应变率下煤岩的非线性变化特征后,引入材料常数a对胡克定律进行修正,推导得出准静态应变率下煤岩的非线性损伤演化本构方程,并结合煤岩单轴压缩试验对其合理性进行验证。
刘晓辉1,2，郝齐钧2，吴世勇3，张茹4,5，余洁2
1. 西华大学流体与动力机械教育部重点实验室2. 西华大学能源与动力工程学院3. 雅砻江流域水电开发有限公司4. 四川大学水利水电学院5. 四川大学深地科学与工程教育部重点实验室
摘 要：为研究开挖扰动下煤岩的非线性力学特征,利用MTS815伺服刚性试验机对芙蓉白皎煤矿煤岩进行10-5～10-2s-1准静态应变率下的单轴压缩试验,分析准静态应变率下煤岩的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学特性的变化规律,基于煤岩显著的非线性力学特征,修正并验证黏弹性损伤本构模型的合理性。研究表明:①煤岩单轴压缩荷载作用下具有明显的压密、线弹性、塑性屈服、峰后破坏4个阶段;煤岩力学特性应变率相关性突出,随着应变率的增加,压密阶段缩短,线弹性阶段增长,屈服阶段应力强化特征及峰后破坏阶段应力软化特征趋于明显;②由于原生裂隙的闭合和扩展,煤岩受载作用下,各阶段均呈现显著的非线性力学特征,随着应变率的增加,压密阶段和线弹性阶段表现出的明显非线性特征呈减弱趋势;③准静态应变率10-5～10-2s-1范围内,抗压强度随应变率增加由8. 83 MPa增加至12. 57 MPa,增长率42. 35%;弹性模量随应变率增加总体呈现先增加后减小的变化趋势,在10-5～10-4s-1应变率区间,弹性模量由1 644 MPa增加至1 825 MPa,随后在10-4～10-2s-1应变率区间内减小,变化趋势发生明显转折;泊松比在准静态应变率下随应变率增加而呈现逐渐减小的变化趋势,从1. 53下降到0. 71,减小53. 59%;整个准静态应变率范畴下,煤岩的力学特征参数（抗压强度、弹性模量、泊松比）均表现出显著的非线性变化趋势,均在临界应变率10-3s-1附近发生转折。④利用一个损伤体和一个Maxwell模型并联方式,综合考虑准静态应变率下煤岩的非线性变化特征后,引入材料常数a对胡克定律进行修正,推导得出准静态应变率下煤岩的非线性损伤演化本构方程,并结合煤岩单轴压缩试验对其合理性进行验证。
关键词：煤岩;准静态应变率;力学特征;非线性;本构方程;
