干湿循环作用下深部粉砂岩蠕变特性与本构模型研究

发布时间：2020-06-05 05:58

【摘要】：由于在深部地下工程开挖与支护的过程中,围岩的含水率会发生改变,这将对深部岩体的长期稳定性产生不利影响。以淮南矿业集团朱集东煤矿-906m处粉砂岩为研究对象,通过干湿循环作用模拟含水率变化,开展不同干湿循环条件下粉砂岩的蠕变试验,探究围岩含水率变化对深部岩体长期稳定性的影响。进而为深部地下工程结构的开挖和支护提供科学依据。主要结论如下:(1)开展了粉砂岩试件的单轴压缩试验,在加载初期,试件处于压密状态,应力应变曲线呈上凹型,随后进入弹性阶段,该阶段应力应变曲线近似呈直线关系,弹性阶段结束后试件进入相对较短的塑性屈服阶段,并在其末期试件达峰值强度后发生突然的脆性破坏,经观察发现,试件的主破坏面均近乎平行于试件的轴向,此外,还存在少量的局部剪切破坏面。(2)开展了干湿循环作用后粉砂岩的单轴压缩蠕变试验,结果表明,粉砂岩试件在应力施加的瞬间产生轴向瞬时变形,之后随应力的逐级增加,蠕变曲线的斜率增大,主要表现出减速蠕变和等速蠕变,继续施加轴向应力,试件的蠕变特性越来越明显,加载至最后一级时,试件的轴向变形随时间的发展逐渐增大,表现出岩石蠕变的三个阶段特征,并在加速蠕变段破坏;随着干湿循环次数的增多,粉砂岩的瞬时应变和蠕变应变整体都呈增大趋势,轴向稳态蠕变速率呈现非线性增大,蠕变全程历时逐渐减小,减速蠕变段和加速蠕变段历时占全程历时的比例逐渐升高,瞬时变形模量降低,破坏形态呈现出张拉脆性破坏向剪切破坏转化的特征。(3)开展不同围压状态下干湿循环6次后的岩石试件的压缩蠕变试验,发现在相同的应力下,随围压的增大,粉砂岩瞬时应变、蠕变应变和蠕变应变速率逐渐减小,瞬时变形模量逐渐增大,表明围压对粉砂岩的变形具有约束作用。(4)根据干湿循环作用后的粉砂岩单轴压缩蠕变曲线的特点,采用广义开尔文链模型,利用Origin软件拟合得出不同应力水平下的蠕变参数,并将其代入模型中,发现所得结果与试验数据可很好地拟合,说明该模型能够很好地反映干湿循环作用后深部粉砂岩的蠕变特征。(5)根据岩石的蠕变机理,提出了一个非线性粘性元件,将其与已有的圣维南体并联起来,得到能描述粉砂岩非线性蠕变特征的粘弹性体,并将其与广义开尔文链模型结合,建立一个可以全面反映三个蠕变阶段特征的非线性粘弹塑性模型,利用数据对所建立的模型进行参数识别,结果表明该模型可以合理地描述干湿循环后粉砂岩的蠕变特征。
【图文】：

蠕变曲线,蠕变曲线,岩石,岩石流变

2 岩石流变理论2.1 岩石流变现象随着地下岩体工程向深部发展，大型地下硐室、巷道围岩的变形、失稳以及破坏并不是立即发生的，而是随着服务年限的推移逐渐出现的，使得耗费巨大人力物力建成的工程不能正常投入使用，例如巷道由于围岩随时间变形可能引起衬砌破坏甚至可能导致巷道丧失使用，因而，，深入了解深部岩石的流变特性是迫切的。岩石流变是指岩石在外部环境不变的条件下，力与变形随时间缓慢变化的过程，包括蠕变、应力松弛、流变特征和长期强度[83-84]。而岩石的蠕变特性是目前较为普遍的研究方向。借助蠕变试验得出恒定应力水平下的应变-时间关系，即蠕变曲线，图 2-1 为岩石典型的蠕变曲线。

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图 3-1 粉砂岩试件Fig.3-1 Siltstone samples表 3.1 粉砂岩试件的声波测试结果ble 3.1 Results of acoustic wave test for siltstone samp密度 g/cm32.64 2.64 2.44 2.64 2.62 2.62 2.64 2.61
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45

【参考文献】