压力和温度对类软岩强度、损伤耗能及蠕变影响的研究

发布时间：2019-09-20 08:10

【摘要】：地下环境软岩体,物理关系、几何关系和平衡关系复杂,流变现象突出,对能源开采、地下工程建设和维护均造成了巨大威胁。建立适用于软岩单轴抗压强度实验的加载标准,研究软岩变形破坏过程中的损伤耗能和蠕变规律对进一步完善软岩理论意义重大。本文结合国家自然科学基金“多场耦合深部软岩固流转化理论及能耗规律的研究”(51374134)和“沥青、橡塑、软岩流变软化理论及相似模拟的研究”(51074094),通过理论推演、室内相似实验和数值模拟等手段,主要完成了以下工作:1.软岩损伤断裂机理研究。通过岩石单轴压缩实验,研究了软岩变形破坏的四个阶段,分析了四种等效性假设原理和连续介质力学基本方程。基于不可逆热力学,利用热力学势建立了损伤演化方程。对三种裂纹断裂模式进行了归纳和梳理,分析了裂纹尖端的应力场和应力强度因子的计算原理,得出等应变能密度线求解复合型断裂问题的方法,并对复合断裂准则进行了总结。2.类软岩试件的制备及热学性质研究。基于软岩指标化和相对性定义提出了类软岩的概念,并用相似材料配制出四种类软岩试件A、B、C、D。对类软岩试件A和粉砂岩进行比热测试,分析了不同养护时间类软岩试件的比热变化规律,发现在同一温度下,养护时间越长,比热值越小。而粉砂岩的比热值随温度的升高是先增加后减小,分析得出岩石的矿物成分和有机质含量是导致此现象的原因,说明了配制类软岩基准试件的必要性。3.加载方式和速率对类软岩抗压强度的影响研究。首先采用位移加载方式对类软岩试件A、C、D进行单轴压缩试验,研究了准静态速率范围内,单轴抗压强度随加载速率的变化规律。其次,采用载荷控制对类软岩A进行单轴压缩实验,分别对两种加载方式下类软岩A的实验曲线进行拟合,得到四阶和三阶多项式。结果表明,单轴抗压强度对加载速率的响应与岩样强度等级和所选加载速率区间有关,加载速率对不同强度等级的岩样会表现出不同的影响规律。且不同加载方式产生的强度误差占到了平均强度值的20%左右。因此,对不同强度等级的岩石来说,前人结论“单轴抗压强度随加载速率的增加而增加”不具有普遍性,应有限定条件,即在一定的速率区间内适用。4.骨料粒径对类软岩抗压强度的影响研究。改变骨料粒径配制类软岩B,研究了骨料粒径对单轴抗压强度的影响规律。当砂子的粒径由20目到70目之间变化时,单轴抗压强度先增大后减小,用三阶多项式可较好的拟合实验数据。结果显示,骨料粒径为40目时,单轴抗压强度达到最大值为21.172MPa。此项研究是建立材料细观结构和宏观力学性质关系的有益尝试。5.类软岩损伤耗能规律的实验研究。在常温下,研究了加载速率对损伤耗能的影响规律。发现随着加载速率的增大,卸载弹性模量和二次加载割线模量均是先增大后减小,而损伤变量和耗散能变化规律不明显,但两者变化一致,成正比关系。根据热力学第一定律,建立了考虑有热交换的能量方程。随着温度的升高,试件吸收能量增多,强度和弹性模量均降低,且与温度呈线性关系。耗散能与损伤变量、可释放应变能与损伤能量释放率也随着温度的升高而降低,且分别成正比关系,并建立了耗散能与温度和损伤变量关系方程。分析原因:岩石矿物颗粒受温度影响发生热胀冷缩,导致矿物颗粒间接触发生了变化,使得强度降低、易损伤,耗散能降低;而外界对岩石热量的输入使内能不断增加,挤占了可释放应变能的存储空间,造成可释放应变能减少。6.类软岩蠕变规律及巷道数值模拟研究。通过类软岩常温下的单轴和三轴蠕变实验,研究了蠕变加载方式、压力差及轴压和围压对稳态蠕变率的影响规律。对比两种加载方式得出,加载历史是造成类软岩稳态蠕变率大小不同的原因。稳态蠕变率与压力差的关系函数可统一用指数函数来表达,且单轴稳态蠕变率近似是三轴稳态蠕变率的十倍关系。保持压力差恒定,同时增大轴压和围压,发现在不同阶段两种载荷每升高单位强度对稳态蠕变率的影响权重不同,且在轴压和围压不同组合关系作用下稳态蠕变率呈交替变化。通过数据分析,建立了能反映瞬态变形、衰减蠕变和稳态蠕变阶段的幂函数蠕变模型。结合工程实例,利用ANSYS有限元软件模拟分析了巷道的应力和蠕变分布规律,研究了关键点位移和蠕变量随时间的变化关系。模拟结果与理论和工程实际情况非常吻合,对矿区巷道及相关软岩工程项目有重要的指导意义。
【图文】：

曲线,单轴压缩,压密,图线

图 2-1 单轴压缩破坏 Fig.2-1 Damage of uniaxial compression 图 2-1 是岩石单轴压缩破坏图，图线分为四个阶段：（1）初期压密阶段（OA 段），，曲线O

原材料,充填料,充填材料,物理力学性质

原材料Fig.3-1Rawmaterials
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU45

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