深部软岩流变模型研究

该文在西原正夫体和广义西原正夫体的基础上,综合考虑弹性、塑性、粘弹性、粘塑性等多种变形共存的复杂过程,分别采用虎克体H元件和VP体模型推出了深部软岩流变组合模型蠕变方程,确定了软岩的流变参数,并分析了温度场和压力场耦合作用下的软岩流变模型蠕变方程,为研究深部软岩的流变破坏及破坏前的加速蠕变过程提供了部分理论依据,对煤矿深部开采及深部支护工程具有十分重要的意义。     

分级加卸载下节理软岩流变试验及模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司 Ⅲ 矿区软弱节理矿岩进行蠕变试验,按瞬时弹性应变、滞后黏弹性应变、瞬时塑性应变与黏塑性应变对流变试验数据进行分析,探讨了软弱节理矿岩的黏弹塑性变形特性;引入2种非线性元件--裂隙闭合体和非线性牛顿体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合元件流变模型,以研究复杂条件下节理软岩的黏弹塑性变形特性.试验结果表明,复合元件流变力学模型能很好地描述节理软岩在不同应力水平下的蠕变特性,特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,金川Ⅲ 矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

多孔介质软岩蠕变的渗流固流耦合模型

基于深部岩体工程地质灾害防范预测研究的目的,开展了渗流对软岩蠕变变形规律的影响的研究,根据岩土流变力学和流体力学理论,流体的质量和能量守恒方程,建立了单向流体在多孔介质软岩中流动的固流耦合数学模型。     

一种软岩结构面流变的新力学模型

软岩结构面的蠕变过程存在着表面粗糙突起阻滞作用和摩擦阻滞作用两种机制。前者在蠕变变形的初期阶段占主导，后者在粗糙突起被剪断后占主导。当外界应力水平较低时，其蠕变只表现为衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段；当外界应力水平增加到足以克服摩擦阻滞作用时，蠕变加速破坏便会直接突发。为了对其进行全面描述，本文提出采用一种带质量粘缸（NN）和经验塑性体（EM）与传统的塑性体（S）、线性粘缸（N）、Kelvin体和虎克体（H）组合，得到了一种新的复合流变力学模型。有关分析计算表明，该模型能真实反映软岩结构面蠕变的实际，可在工程实践中推广应用。     

流变扰动效应引起围岩应力场演变规律分析

阐述了岩石强度极限邻域等岩石力学新概念,分析了岩石流变扰动效应机理,建立了岩石多次受到扰动后的累积变形量的本构方程,根据建立的本构方程,结合岩石流变及其扰动效应试验成果,建立了第三蠕变阶段横向扰动变形与扰动次数关系方程,结合典型软岩工程--龙口海域巷道实际地质资料,提出了围岩应力场峰值点转移判别标准,得出了当相邻巷道爆破施工时,爆破扰动导致的围岩应力场演变规律。     

煤岩的改进广义弹粘塑性模型分析

根据煤岩加速蠕变阶段的力学特性，用非线性牛顿体代替线性牛顿体，对煤岩的广义弹粘塑性模型进行改进，并导出改进模型的本构方程和简单应力状态下的蠕变方程。利用蠕变方程对试验结果进行曲线拟合计算，获取相应的煤岩流变力学参数。将理论分析与试验结果对比，从而验证了该模型的优越性。     

富水软岩的蠕变特性实验及非线性剪切蠕变模型研究

富水软岩巷道变形速度快,变形量大,巷道支护困难,建立描述该类软岩特性的流变模型是解决该问题的关键。通过不同含水率软岩的直剪蠕变试验表明:在同一剪应力水平下,随着含水率的上升,软岩瞬时弹性模量、极限变形模量和黏滞系数将下降,蠕变速率先增大后减小,加速蠕变的破坏时间缩短;在同一含水率条件下,随着剪切应力的增加,软岩瞬时剪切位移量、蠕变变形量和衰减蠕变段的曲率半径都逐渐增大。依据含水软岩蠕变的非线性特征,建立了能够描述含水软岩蠕变特性的非线性剪切流变模型,基于BFGS算法和通用全局优化法对模型参数进行识别,识别结果与试验曲线吻合较好,表明所建模型的正确性和合理性,该成果可为深部复杂地质力学环境下的富水软岩巷道稳定性研究提供参考。     

考虑湿度效应的膨胀岩流变模型

在西原体模型的基础上,综合考虑湿度因素对膨胀岩的影响,构造了含湿度因素的基本流变元件,将湿度效应引入到模型中,建立了膨胀岩应力和湿度耦合作用下黏弹塑性本构方程,得到了蠕变方程、卸载方程和松弛方程。研究结果表明：考虑湿度效应的西原体模型在应力小于屈服应力时,模型为稳定蠕变,其卸载曲线存在着瞬时弹性、弹性后效和由湿度效应引起的黏性流动;当应力大于屈服应力时,模型为不稳定的蠕变,其卸载曲线存在着瞬时弹性、弹性后效和由应力和湿度效应共同引起的黏性流动。根据等效应变和等效应力理论,推导了考虑湿度影响的多轴蠕变理论模型。模型较全面地反映了膨胀岩石在湿度作用下的流变特性,适用于湿度和应力共同作用下岩石的稳定性分析。     

基于流变试验的软岩巷道变形破坏机理分析及支护技术

软岩巷道变形破坏是煤矿深部开采软岩巷道支护的重大灾害之一。基于刘庄矿区深部泥岩现场三轴流变试验和数值模拟,对软岩巷道变形破坏机理及支护技术进行了分析,采用最小二乘法中的阻尼最小二乘法(Marquardt法)逐次线性化的间接方法,利用非线性流变力学模型,拟合得到泥岩蠕变本构方程,分析得出刘庄矿区深部软岩巷道的合理支护方式：(1)采用反底拱和全封闭的施工方式,减小巷道的维修工作量;(2)顺层掘进的重要峒室,其锚杆的方位应尽可能和层面垂直,将弱面串联成一体;(3)底板锚注控制底板大变形。     

软岩矿区建筑物下特殊开采数值模拟分析

文中根据龙口市洼东煤矿软岩的地质采矿条件,建立了岩体蠕变的粘弹性力学模型,确立了其蠕变参数,利用ANSYS的三维立体模型对同一工作面条带开采不同采留宽度条件下的地表下沉和力学效应进行了数值模拟计算,分析了煤柱及其围岩的稳定性和安全性,提出了软岩矿区建筑物下条带开采的合理采留宽度,从而为软岩矿区建筑物下的特殊开采提供了参考依据.     

延吉盆地强膨胀软岩边坡变形机理及防治措施

以严重影响吉林-珲春高速公路建设的延吉盆地强膨胀软岩边坡为例,证实了在延吉盆地发育有大量的强膨胀软岩,并通过现场调研、取样、大量的室内试验和理论分析相结合的综合手段揭示出延吉盆地强膨胀软岩边坡的变形机理,即“蠕滑拉裂,梯级牵引,大雨大动,无雨微动”,同时针对强膨胀软岩边坡复杂的变形力学机制,采用关键技术将复杂性变形力学机制转化为单一型变形力学机制,并提出了具体防治措施.     

轴向荷载下岩石剪切破坏时效损伤蠕变模型研究

岩石蠕变滑移失稳是诱发断裂滑移型岩爆的主要原因之一,为了揭示岩石蠕变失稳过程的力学响应特征,文中通过理论分析和试验研究,分析了岩石剪切滑移失稳过程的蠕变增长模式和力学响应特征,建立了轴向荷载作用下的岩石剪切破坏时效损伤蠕变模型。 研究结果表明:该模型可以很好地描述岩石剪切滑移失稳过程的蠕变演化特征,也能够表征岩石不同蠕变演化阶段的力学响应差异;在轴向荷载作用下,岩石剪切滑移失稳过程具有明显的阶段化特征,存在典型的减速蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段;岩石蠕变增长速率受弹性模量和黏性系数等影响,也受时效损伤效应影响,尤其对于加速蠕变阶段影响显著,这是造成岩石非线性加速蠕变失稳的原因之一。     

温度-应力-化学三场耦合作用下深部软岩巷道蠕变规律数值模拟

描述了所建立的连续介质温度场-应力场-化学场三场耦合控制方程。使用有限元程序对地下1 500 m的深部软岩巷道蠕变规律进行了温度场、应力场和化学场三场耦合过程的三维数值模拟,分析了温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变规律的影响。结果表明,深部软岩巷道产生大应变,主要来源是蠕变,弹性应变和热应变次之;温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变都产生不可忽视的影响,就影响程度来看,应力场影响最大,化学场和温度场次之。     

Deformation of salt rock joints in time

The results are presented for the deformation testing of joints of salt rocks. The tests on shear with compression were conducted at creep and various loading rates. A structural rheological model of the joint deformation is constructed. Basing on the linear heredity theory, the relations are obtained for describing the process of creep and relaxation.Translated from Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopaemykh, No. 4, pp. 40–45, July–August, 2004.The study was conducted with financial support from the Russian Foundation for Basic Research, Projects Nos. 03-05-64326 and 04-05-96031; Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Integration Projects Nos. 129 and 191; and Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Integration Project No. 05-11-04.     

巷道围岩支护系统粘弹性分析蠕变柔量法

以圆形巷道为例，讨论了围岩支护系统应力与变形的时间效应，建立了巷道围岩支护系统粘弹性分析的一种新方法——蠕变柔量法，得到围岩支护系统的适用于反问题的粘弹性应力解与位移解．对于反问题，巷道围岩支护系统的新的粘弹性分析方法，使有支护和无支护围岩可以依据相同的粘弹性反分析的解析方法，识别围岩的力学模型和反演力学参数．解决了粘弹性位移反分析解析方法实用化中的一个重要问题     

软岩试件非线性蠕变特征及参数反演

根据深部软岩室内三轴剪切和单试件分级加载蠕变试验结果,采用岩石蠕变力学元件模型和经验本构相结合的方法,获得描述岩石非线性蠕变本构模型。利用现场实测数据对软岩巷道开挖过程进行了参数反演,获得了和试验相一致的软岩本构力学模型参数,反演结果验证了该模型的可行性。     

基于扰动因子的软岩扰动蠕变本构模型

动力扰动下处于极限强度的深井软岩巷道围岩具有流变变形量大,变形速率快的变形特征,致使软岩巷道支护困难和灾害频发。为了研究软岩在动力扰动下蠕变破坏特征及本构模型,通过自主研制的岩石扰动蠕变实验系统对泥页岩进行了分级加载流变实验,试验结果表明:非稳定蠕变曲线在扰动前后流变变形明显不同,当施加应力水平较小时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),每次扰动的瞬间会使岩石应变突变,但突变值随后逐渐回弹,最终岩石变形速率趋于一个稳定值;当应力水平较大时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),岩石经过多次扰动后,当积累能量达到岩石破坏能量时,诱使岩石发生加速流变,而原处于蠕变第Ⅲ阶段的岩石的蠕变速率加快,缩短了岩石破坏的时间。基于岩石扰动状态理论,提出一个以扰动能量和扰动次数为自变量的扰动因子函数,以它为权重函数与NRC模型有机结合,建立了软岩流变扰动效应的本构模型并对模型参数进行识别,结果表明理论曲线与实验曲线吻合较好,验证了该模型能够正确性地描述动力扰动下软岩蠕变特征,该成果对于深部地下工程的稳定性研究具有参考价值。     

软岩巷道蠕变与湿度应力场耦合研究

通过对龙口北皂矿H2101海域工作面矿区煤层底板矿物成分分析、岩样的膨胀性试验以及对巷道底板含水状态和围岩蠕变的实测,得到有关软岩巷道的围岩岩性参数和实际蠕变规律。运用湿度应力场理论的数学模型方法对软岩巷道的遇水软化和膨胀特性进行了分析,根据湿度应力场理论推导出膨胀软岩本构方程,在实际软岩巷道围岩稳定性控制中得到了应用。     

非均匀软岩蠕变机理分析

为了对工程围岩的蠕变现象进行解释，探明软岩的蠕变本质，根据岩石压缩过程中变形、弱化本构关系以及变形与承载能力的关系，采用岩石最弱断面并联微元体模型，对非均匀软岩的衰减蠕变和非衰减蠕变机理进行了分析，研究表明，非均匀性岩石内部各点承载能力不同使得变形后岩石内部各点屈服弱化不同步，又由于岩石晶体内部空位或杂质的扩散，二者共同作用导致岩石蠕变．通过对截面积相同，高径比分别为1．5和2．5的页岩岩样进行蠕变试验，验证了岩石的非均匀性是造成岩石蠕变的一个不可忽视的重要因素．