Le modèle énergétique non linéaire et la contrainte

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8456 (2023) Citer cet article

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La relation entre la déformation et l'énergie élastique est simplifiée en introduisant un paramètre d'état de contrainte basé sur la loi de Hooke généralisée. On suppose que les forces des microéléments satisfont à la distribution de Weibull et un nouveau modèle pour l'évolution non linéaire de l'énergie est développé en introduisant le concept de forces des microéléments des roches. Une analyse de sensibilité des paramètres du modèle est réalisée sur cette base. Les résultats montrent que le modèle est en bon accord avec les données expérimentales. Le modèle est proche des lois de déformation et d'endommagement de la roche et est capable de refléter la relation entre l'énergie élastique et la déformation de la roche. En comparant avec d'autres courbes modèles, le modèle de cet article est plus adapté à la courbe expérimentale. Ils montrent que le modèle amélioré pourrait mieux décrire la relation contrainte-déformation de la roche. Enfin, selon l'analyse de l'influence du paramètre de distribution sur le modèle de variation de l'énergie élastique de la roche, l'ampleur du paramètre de distribution peut refléter directement l'énergie maximale de la roche.

Le processus de déformation et de rupture de la roche est le processus de libération, de transformation et de dissipation d’énergie, qui conduit au déséquilibre de l’état stable d’origine de la roche1. En ingénierie pratique, la construction d’une centrale électrique souterraine, le creusement de tunnels, l’extraction de charbon et d’autres travaux d’ingénierie détruiront l’état d’équilibre initial de la roche2,3. Cela provoquera l’instabilité et la rupture de la roche. Lors de la construction de ces projets, l’énergie à l’intérieur de la roche évolue constamment. L’exploitation minière et l’excavation des activités humaines sont le processus d’apport d’énergie externe dans la roche. Les mesures de construction telles que le renforcement et le soutènement de l'ingénierie souterraine peuvent être comprises comme la transformation et le transfert d'énergie de la roche4. La déformation et la rupture de la roche sont dissipées ou libérées sous diverses formes d'énergie, telles que l'énergie thermique, l'énergie cinétique et l'énergie de rayonnement. On peut voir que l’exploration du processus de déformation et de rupture de la roche du point de vue énergétique est plus proche de la pratique de l’ingénierie et de l’essence de la rupture de la roche. Par conséquent, la révélation de la loi du changement d’énergie dans le processus de rupture des roches peut fournir un support théorique important pour la construction de projets de conservation de l’eau5. Avec le nombre croissant de projets souterrains enfouis en hauteur, l’exploitation minière et l’excavation de roches profondes sont devenues la norme. Dans l’état de contrainte complexe du matériau rocheux, le critère de rupture de la roche est complexe6. Son modèle constitutif de dommage devient très complexe et changeant. Considérant que l’énergie est l’essence même de la rupture des roches, l’étude du modèle constitutif des matériaux rocheux du point de vue énergétique peut réduire la complexité du modèle constitutif des dommages7. Il peut également montrer pleinement le processus de déformation et de rupture des matériaux rocheux. L’établissement d’un modèle énergétique constitutif de la roche peut approfondir la compréhension de l’essence du processus de rupture des matériaux rocheux. Les résultats de la recherche peuvent être appliqués à une gamme plus large de matériaux8.

Le processus de déformation de la masse rocheuse s'accompagne d'un changement d'énergie, et l'énergie est la cause interne fondamentale des dommages ultimes causés au matériau moteur. L'énergie élastique stockée dans la roche pendant le processus de chargement est suffisamment libérée pour provoquer des dommages. Au cours du processus de rupture du grès sous différentes pressions de confinement, le processus de stockage de l'énergie élastique présente des caractéristiques régulières9,10. Le processus d’endommagement des roches a été étudié du point de vue énergétique. Le but ultime est de découvrir le mécanisme d’évolution énergétique des dommages aux roches et de trouver la méthode de prédiction des dommages aux roches basée sur le principe énergétique11. Grâce à l'accumulation d'énergie et aux caractéristiques d'évolution du processus de rupture du grès sous différents chemins de contraintes, le modèle d'évolution non linéaire de l'énergie du processus de rupture de la roche est établi et le critère de prédiction de l'énergie de la rupture de la roche est donné12.