温—压作用下新型相似软岩强度及蠕变特性研究
本文选题：温压耦合 切入点：相似准则 出处：《青岛科技大学》2017年博士论文
【摘要】：在深部工程的开挖及资源开采过程中,随着开采深度不断增加,软岩处于复杂高应力场和高温度场作用下,原先地质软岩或硬岩都可能转变为工程软岩,巷道围岩大变形和流变特性更加明显,岩体“固”化机理减弱,“流”化机理增强,出现固流转化现象,对于深部软岩巷道支护中的围岩而言,造成灾害的主要原因是由软岩的强流变性和大变形特征引起的,最常见的是软岩体的流变及热损伤能耗问题,掌握温-压作用下软岩流变规律是解决此问题的关键。天然软岩取样困难以及本身离散型和随机性,因此以石蜡为胶结剂的新型软岩相似材料制成的标准试件为研究对象,通过对不同配比的相似软岩试件进行物性参数测定实验、高低温单轴破坏实验、高温蠕变实验,对其物性参数热敏性、强度、高温强蠕变特性及破坏形式进行研究,分析破坏机理,在此基础上,利用多场耦软件COMSOL Multiphysics进行多物理场下的数值计算,得到主要结论:(1)以相似三定理为理论依据,利用量纲法结合方程法推导出包含温度、渗流影响的相似理论体系,得到以基本力学参数及热物性参数为指标的18个相似准则,利用相似准则,以有机弱性热敏性石蜡为胶结剂,以40目河砂及铁粉等为骨料制备了四种配比的新型软岩相似试件,通过力学实验及热学实验测得四类配比相似软岩基本力学参数指标都在相似原理范围内及四类相似软岩的导热系数、比热容、热扩散系数、热阻随温度的变化规律。相似准则作为模型实验的理论依据,对于指导模拟材料的选取及制备,模型实验的设计及开展都具有重要指导作用。(2)设计并研制出基于TAW-200型电子式多功能材料力学试验机的加热制冷(高低温)环境试验箱,环境箱由制热系统、制冷系统、箱体、控制系统、测试系统、采集系统等六大部分组成,可为模型实验提供-40℃~200℃恒温环境,可用于岩石高低温单轴压缩、剪切、流变试验及各种高低温环境下的程序试验,并可进行长时间的高低温单轴蠕变试验。(3)对四类相似软岩进行不同温度下单轴压缩实验,得到结论如下:(1)不同温度下,相似软岩试样单轴压缩的应力-应变曲线整体上可划分为压密阶段、线弹性阶段、塑性变形阶段及应变软化阶段4个阶段,且高温时呈现强流变特性。(2)随着温度的增加,相似软岩的弹性模量及峰值强度整体逐渐下降,在低温-20℃温度环境下,弹性模量及峰值强最大。(3)不同温度下,相似软岩试件的破坏形式不同。在-20℃~10℃之间,试件的破坏形式为贯穿破坏,属于典型的脆性破坏;20℃~40℃破坏形式为不完全的贯穿破坏及剪切破坏,此类破坏形式介于脆性破坏及塑性破坏之间,具有明显不完整性;50℃时,试件破坏形式为剪切破坏与楔形碎片破坏两种形式,呈现出强流变塑性破坏特征。(4)胶结剂石蜡含量越多,相似软岩试件强度、弹性模量越大。(5)相似软岩在常温环境下抗压强度、弹性模量表现出明显的加载速率效应。在100N/s~500N/s范围内,抗压强度、弹性模量先增大后减小;300N/s加载速率下,相似软岩的抗压强度、弹性模量最大。(4)对四类相似软岩进行不同温度下单轴蠕变实验,得到结论如下:(1)常温下,相似软岩应力-应变曲线基本为线性,且温度对于相似软岩应力-应变关系影响较小,随着温度的不断上升,应力-应变曲线不断向上偏移,且温度越高,偏移的幅度越大;随着温度升高或者蠕变时间的不断增加,平均蠕变模量不断降低,降低的趋势在30℃~40℃之间表现得尤为明显;相似软岩在常温蠕变时发生压密阶段,而高温下蠕变过程中无明显压密阶段。(2)相似软岩在不同温度、应力下三类蠕变规律:瞬时弹性变形及减速蠕变,瞬时弹性变形、减速蠕变及稳定蠕变,瞬时弹性变形、减速蠕变及加速蠕变,分别对应三类蠕变方程为指数方程,对数方程以及幂函数方程。(3)在相同轴压、温度下,相似软岩的稳定蠕变率随着砂胶比的增大而逐渐增大。(4)引入温度阻尼器,构建包含应力阈值、温度阈值的新型相似软岩非线性蠕变模型本构方程,对于描述温压耦合作用下软岩蠕变规律具有重要意义。(5)利用COMSOL Multiphysics分析了相似软岩、原岩试件模型在不同温-压作用下的力学特性,得到的模拟结果都能很好地验证相似理论,同时通过对不同温度下相似软岩巷道模型蠕变特性的模拟计算,得到了温度对于相似软岩蠕变曲线、最大应变能密度及最大等效蠕变速率等的影响规律。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD313
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，本文编号：1677583
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