【摘要】：地下環(huán)境軟巖體,物理關(guān)系、幾何關(guān)系和平衡關(guān)系復(fù)雜,流變現(xiàn)象突出,對能源開采、地下工程建設(shè)和維護(hù)均造成了巨大威脅。建立適用于軟巖單軸抗壓強度實驗的加載標(biāo)準(zhǔn),研究軟巖變形破壞過程中的損傷耗能和蠕變規(guī)律對進(jìn)一步完善軟巖理論意義重大。本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金“多場耦合深部軟巖固流轉(zhuǎn)化理論及能耗規(guī)律的研究”(51374134)和“瀝青、橡塑、軟巖流變軟化理論及相似模擬的研究”(51074094),通過理論推演、室內(nèi)相似實驗和數(shù)值模擬等手段,主要完成了以下工作:1.軟巖損傷斷裂機理研究。通過巖石單軸壓縮實驗,研究了軟巖變形破壞的四個階段,分析了四種等效性假設(shè)原理和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本方程�；诓豢赡鏌崃W(xué),利用熱力學(xué)勢建立了損傷演化方程。對三種裂紋斷裂模式進(jìn)行了歸納和梳理,分析了裂紋尖端的應(yīng)力場和應(yīng)力強度因子的計算原理,得出等應(yīng)變能密度線求解復(fù)合型斷裂問題的方法,并對復(fù)合斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行了總結(jié)。2.類軟巖試件的制備及熱學(xué)性質(zhì)研究。基于軟巖指標(biāo)化和相對性定義提出了類軟巖的概念,并用相似材料配制出四種類軟巖試件A、B、C、D。對類軟巖試件A和粉砂巖進(jìn)行比熱測試,分析了不同養(yǎng)護(hù)時間類軟巖試件的比熱變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在同一溫度下,養(yǎng)護(hù)時間越長,比熱值越小。而粉砂巖的比熱值隨溫度的升高是先增加后減小,分析得出巖石的礦物成分和有機質(zhì)含量是導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因,說明了配制類軟巖基準(zhǔn)試件的必要性。3.加載方式和速率對類軟巖抗壓強度的影響研究。首先采用位移加載方式對類軟巖試件A、C、D進(jìn)行單軸壓縮試驗,研究了準(zhǔn)靜態(tài)速率范圍內(nèi),單軸抗壓強度隨加載速率的變化規(guī)律。其次,采用載荷控制對類軟巖A進(jìn)行單軸壓縮實驗,分別對兩種加載方式下類軟巖A的實驗曲線進(jìn)行擬合,得到四階和三階多項式。結(jié)果表明,單軸抗壓強度對加載速率的響應(yīng)與巖樣強度等級和所選加載速率區(qū)間有關(guān),加載速率對不同強度等級的巖樣會表現(xiàn)出不同的影響規(guī)律。且不同加載方式產(chǎn)生的強度誤差占到了平均強度值的20%左右。因此,對不同強度等級的巖石來說,前人結(jié)論“單軸抗壓強度隨加載速率的增加而增加”不具有普遍性,應(yīng)有限定條件,即在一定的速率區(qū)間內(nèi)適用。4.骨料粒徑對類軟巖抗壓強度的影響研究。改變骨料粒徑配制類軟巖B,研究了骨料粒徑對單軸抗壓強度的影響規(guī)律。當(dāng)砂子的粒徑由20目到70目之間變化時,單軸抗壓強度先增大后減小,用三階多項式可較好的擬合實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示,骨料粒徑為40目時,單軸抗壓強度達(dá)到最大值為21.172MPa。此項研究是建立材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性質(zhì)關(guān)系的有益嘗試。5.類軟巖損傷耗能規(guī)律的實驗研究。在常溫下,研究了加載速率對損傷耗能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的增大,卸載彈性模量和二次加載割線模量均是先增大后減小,而損傷變量和耗散能變化規(guī)律不明顯,但兩者變化一致,成正比關(guān)系。根據(jù)熱力學(xué)第一定律,建立了考慮有熱交換的能量方程。隨著溫度的升高,試件吸收能量增多,強度和彈性模量均降低,且與溫度呈線性關(guān)系。耗散能與損傷變量、可釋放應(yīng)變能與損傷能量釋放率也隨著溫度的升高而降低,且分別成正比關(guān)系,并建立了耗散能與溫度和損傷變量關(guān)系方程。分析原因:巖石礦物顆粒受溫度影響發(fā)生熱脹冷縮,導(dǎo)致礦物顆粒間接觸發(fā)生了變化,使得強度降低、易損傷,耗散能降低;而外界對巖石熱量的輸入使內(nèi)能不斷增加,擠占了可釋放應(yīng)變能的存儲空間,造成可釋放應(yīng)變能減少。6.類軟巖蠕變規(guī)律及巷道數(shù)值模擬研究。通過類軟巖常溫下的單軸和三軸蠕變實驗,研究了蠕變加載方式、壓力差及軸壓和圍壓對穩(wěn)態(tài)蠕變率的影響規(guī)律。對比兩種加載方式得出,加載歷史是造成類軟巖穩(wěn)態(tài)蠕變率大小不同的原因。穩(wěn)態(tài)蠕變率與壓力差的關(guān)系函數(shù)可統(tǒng)一用指數(shù)函數(shù)來表達(dá),且單軸穩(wěn)態(tài)蠕變率近似是三軸穩(wěn)態(tài)蠕變率的十倍關(guān)系。保持壓力差恒定,同時增大軸壓和圍壓,發(fā)現(xiàn)在不同階段兩種載荷每升高單位強度對穩(wěn)態(tài)蠕變率的影響權(quán)重不同,且在軸壓和圍壓不同組合關(guān)系作用下穩(wěn)態(tài)蠕變率呈交替變化。通過數(shù)據(jù)分析,建立了能反映瞬態(tài)變形、衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變階段的冪函數(shù)蠕變模型。結(jié)合工程實例,利用ANSYS有限元軟件模擬分析了巷道的應(yīng)力和蠕變分布規(guī)律,研究了關(guān)鍵點位移和蠕變量隨時間的變化關(guān)系。模擬結(jié)果與理論和工程實際情況非常吻合,對礦區(qū)巷道及相關(guān)軟巖工程項目有重要的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

圖 2-1 單軸壓縮破壞 Fig.2-1 Damage of uniaxial compression 圖 2-1 是巖石單軸壓縮破壞圖，圖線分為四個階段：（1）初期壓密階段（OA 段），，曲線O

原材料Fig.3-1Rawmaterials
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TU45

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本文編號：2538695