多场耦合作用下类软岩材料固、流特性研究

发布时间：2020-06-14 06:59

【摘要】：深部软岩体受到温度场、化学场以及应力场等环境场的作用,其大变形和流变的特性显著增强,对地下深部岩石工程的正常开展有较大的影响,针对复杂的地下耦合环境,基于比较成熟的相似理论体系,采用类软岩材料对真实软岩在地下环境中的物理力学行为进行模拟,得到不同耦合条件作用下的类软岩材料强度和流变特性的变化规律,将为深部软岩工程中的巷道开挖、支护,以及围岩的稳定性分析提供可靠依据。首先通过对比大量实验结果对类软岩材料试件的制作方法和制作设备进行优化改进,然后基于传热学、化学动力学以及损伤力学等对温度、化学、应力耦合控制理论进行了分析推导,通过进行温度、化学耦合作用以及应力影响下的单轴压缩、三轴压缩以及单轴蠕变实验等,对不同环境因素对类软岩材料强度、变形和蠕变特性变化规律的影响展开研究,并以上述理论及实验分析结果为基础,利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对多场耦合作用进行模拟分析计算。论文的主要研究内容和结论如下:(1)通过对比实验研究的方法,对不同制作方法下试件的成型质量进行探究,发现对开模具的脱模成型质量优于圆筒形模具,一次性装填更易获取抗压强度和弹性模量波动较小的试件,且机器压实的试件成型质量更好;在此基础上对试件制作工具进行了改进,分别设计了筛网水平立式筛分机构、实验室小型称量搅拌一体机和手摇式双侧同步进给圆柱试件模具,从筛沙、搅拌和压制成型等方面对试件制作设备进行了升级。(2)基于改进的试件制作方法和原岩特性分析,采用水泥、河沙等为原料制作类软岩材料试件,对其进行不同温度、酸碱度耦合作用实验,并以质量增量为对象,初步分析了耦合环境对类软岩试件的物理特性影响;借助XRD技术,对不同环境场作用后的类软岩材料进行了成分的鉴定分析。(3)分析了温度场、化学场以及应力场对软岩力学特性的作用机理,以基本假设为前提,在温度控制理论中将化学反应的能量交换考虑在内,综合了热膨胀以及热损伤,建立了温度作用的控制方程,在此基础上基于损伤理论,将温度、化学以及应力损伤考虑在内,建立了软岩在多场作用下的本构方程,提出了温度、化学影响下的岩体多场耦合控制方程组。(4)针对耦合条件下的类软岩试件进行了单轴和三轴压缩实验,得出:(1)类软岩材料受到温度、化学以及应力的作用,由弹性变形变为弹塑性变形,塑性、延性特性增强,使应力-应变曲线产生波动;随着温度的升高,三种pH值环境中应力-应变曲线的压密阶段均有逐渐增加的趋势,相应的,弹性变形的特性逐渐减弱。(2)随着温度的升高,中性溶液中的类软岩材料延性增强,流变的特性更加明显,而酸性和碱性溶液则逐渐向脆性转变。(3)三种pH值溶液中试件的弹性模量随着温度的升高均呈先减小后增大的趋势;不同酸碱度环境中割线模量受温度影响的平均变化率均高于弹性模量;碱性环境中类软岩材料的弹性模量和割线模量相对稳定。(4)围压对抗压强度的影响作用因pH值的不同而有所差异,中性环境下,围压对抗压强度的作用随着温度升高影响逐渐增强,而酸性和碱性环境下,对类软岩材料的抗压强度的影响随着温度升高逐渐降低;随着温度的升高,内聚力在中性和酸性环境下逐渐增加,而碱性环境下则呈现出先升后降的规律;酸性和中性环境下类软岩材料的内摩擦角均随着温度的升高呈降低的趋势,而碱性环境下则呈升高的趋势。(5)通过分级加载蠕变实验,分析了温度、pH值以及应力对类软岩材料蠕变特性的影响规律,建立了考虑耦合环境损伤的蠕变模型,认为:(1)随着应力水平的增加,类软岩材料的稳态蠕变率均呈逐渐增大的趋势,不同蠕变时间上的应力-应变曲线直线段斜率均逐渐减小;随着温度的增加,pH值对材料蠕变特性的影响逐渐减弱;(2)以饱依丁-汤姆逊模型为基础,考虑耦合环境损伤的影响,得到可以描述加速蠕变阶段并将损伤考虑在内的新的蠕变模型,分析了模型中各个参数对蠕变曲线的影响,并用该模型进行了实验数据拟合验证。(6)通过数值模拟研究发现:(1)温度的变化对化学反应有一定的影响作用,温度升高能够促进反应的速率加快,随着反应时间的延长,同一化学成分在不同的温度环境下的浓度最终都趋于一致;化学作用对温度同样有一定的影响作用,在t=100h前,化学反应发生的吸放热使温度梯度的波动明显。(2)试件圆柱体中心以及端面边缘的受力较大,应力较大的区域在试件中呈“X”形分布。(3)应力场对类软岩巷道蠕变特性的影响作用仍占主导地位,最大应力和最大蠕变应变主要分布在巷道两帮与底面的接触处,随着时间推移,变形不断向周围扩散;不同温度、化学作用同样对类软岩巷道蠕变规律有一定的影响,当pH值、应力和蠕变时间相同时,温度升高使得巷道的蠕变变形增加,而温度、应力以及蠕变时间相同的情况下,碱性环境下的巷道蠕变应变更小。 【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD315

【图文】：

耦合关系,渗流场,应力场,温度场

图 1-1 应力场、温度场、渗流场耦合关系图Fig1-1 Coupling diagram of stress field, temperature field and seepage field世纪 70 年代开始，，岩体的多种环境场耦合问题便成为国内外岩学者研究的重点，进入 80 年代中期，NOORISHAD 等人逐渐关合问题，从理论基础到实验研究，逐步建立起了岩体多场耦合环体系[49,50]。许多国家建立了大型的地下实验室来研究不同类型岩性。例如美国能源部的国家地下实验室针对地下岩土体多场耦合列研究，其针对凝灰岩进行了应力、水流、温度和水流、化学、的三场耦合作用实验研究。在研究岩体在耦合环境问题时，初期环境下的特征为主，随着研究水平不断提高，逐步发展到固流热合研究。开始于 1992 年的 DECOVALEX 计划即为针对于地质介-流体流动-化学反应的耦合作用问题展开的大型国际合作研究项目MC 耦合作用的数学模型以及数值模拟与实验结果的验证，包括中家都参与了该项目，并取得了丰硕的成果[51-54]。

技术路线图,耦合作用,软岩,软料

青岛科技大学研究生学位论文和实验数据为基础，建立耦合作用下类软岩材料的蠕变模型。(6)利用多场耦合数值模拟分析软件 COMSOL Multiphysics 建立类软岩模型以及巷道围岩模型，首先模拟分析温度场、化学场的耦合，然后对类软料耦合作用后的单轴以及三轴压缩力学特性进行分析，最后对应力场、化学温度场耦合作用下的类软岩巷道进行流变特性研究，得到不同耦合条件下的围岩蠕变变形特性。图 1-2 为本文开展课题研究的技术路线。

【参考文献】