冻结砂岩单轴压缩试验及剪应变局部化带数值模拟

除了对不同温度下冻结砂岩试件剪应变局部化带的形成进行试验研究外,还基于应变软化理论,以FLAC3D自带的Mohr-Coulomb本构模型为基础,对冻结砂岩剪应变局部化带的形成过程进行了数值模拟。结果表明:冻结砂岩单轴抗压强度总体随温度降低而提高,但过低的冻结温度并不能明显提高其强度;冻结砂岩试件剪应变局部化带的形成是一个渐进变化的过程,其最终的破坏形式为剪切破坏,破坏角约为45°。     

冻结白垩系砂岩强度特性试验研究

为研究白垩系地层冻结砂岩的强度特性,采用MTS-815电液伺服岩石试验系统开展了不同温度状态下饱和中砂岩和粗砂岩的单轴压缩试验,获得冻结白垩系砂岩的力学性质与低温的相关性。试验表明:冻结白垩系中粒砂岩及粗粒砂岩,其单轴抗压强度均随温度的降低而增大,从25℃降至-30℃的过程,中粒砂岩强度提高了49.475%~64.656%,而粗粒砂岩的强度提高了59.455%~84.886%,相同温度下,饱和粗粒砂岩的单轴强度总是大于中粒砂岩;两种岩石强度的差异性较大,且差值随着温度降低而总体上不断增大;随着温度的降低冻结白垩系岩石弹性模量明显增大,应力-应变曲线的压密段和塑性变形段越来越不明显,表现出更明显的弹性和脆性特征。通过试验结果分析,可为该地区冻结法凿井冻结壁和井壁的设计参数的选取提供参考。     

深部砂岩力学特性试验与本构模型

为深入探究岩石强度劣化特性对深部开采工程稳定性的不利影响。以红庆梁深立井工程为背景,对现场砂岩岩样开展不同围压条件下三轴压缩试验,结合Mohr-Coulomb强度理论研究了砂岩应力-应变、强度与变形等特征;基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点,推导出砂岩损伤软化本构模型,探讨了模型参数F_0和m与围压的函数关系,结合模型参数对模型的影响及砂岩应力-应变曲线变化特点,采用非线性拟合方法对模型参数进行修正,最后得到修正的损伤软化本构模型;利用FLAC~(3D)对修正后的本构模型数值求解,将理论计算结果与砂岩全应力-应变曲线对比验证;通过构建马头门硐室围岩数值模型对修正后本构模型进行工程应用,并分析了数值计算结果的合理性。结果表明:①砂岩变形参数对围压敏感度较低,强度参数受围压影响较大,不同围压条件下,当应力达到峰值后,砂岩呈现出明显的应变软化特性;②通过FLAC~(3D)数值验证结果可知,损伤软化模型理论计算应力-应变曲线与试验曲线高度吻合,说明模型具有较高的真实性,能反映砂岩在复杂应力状态下的破坏全过程;③利用数值模拟方法对深部马头门硐室围岩与支护结构破坏规律分析表明,在拱顶及拱肩位置较易出现塑性剪切破坏,并且与实际工程中支护结构破坏位置及范围基本相同。     

低温环境下红砂岩蠕变特性及其模型

为研究低温环境下岩体工程的长期稳定性,以饱水状态下的陕西红砂岩为研究对象,采用MTS810岩石力学试验机进行不同温度(20,-10,-20℃)条件下的分级加卸载单轴蠕变试验,研究了不同温度条件下红砂岩的蠕变特性及温度对岩石蠕变特性的影响。根据蠕变试验结果,将岩样总应变分为瞬时应变和蠕变应变,瞬时应变由瞬时弹性和瞬时塑性应变组成,蠕变应变由黏弹性和黏塑性应变组成。结果表明,瞬时应变随应力水平的增加而增大,瞬时弹性应变与应力呈近似线性关系;随着应力水平的增加,黏塑性应变随时间逐渐增加,总应变中黏塑性应变的比例也趋于增大。随着温度的降低,岩样瞬时应变及相同应力水平下的蠕变应变均减小,蠕变持续时间延长,岩石破坏强度提高。根据岩样的变形特性结合蠕变试验结果,引入分数阶微积分,建立考虑低温影响的非线性流变模型;采用通用全局优化算法结合最小二乘法中的Levenberg-Marquarat算法对不同温度环境中的蠕变试验结果进行参数识别,理论曲线与试验结果吻合度较高,尤其加速蠕变阶段效果较好,表明该模型能够很好地描述红砂岩在低温环境下的蠕变行为;对不同温度条件下的模型参数进行分析,结果表明,随着温度的降低弹性模量E_3(T)呈抛物线式增长,而弹性模量E_1(T),E_2(T)及黏性系数η_1(T)呈指数形增长,为冻结法施工和寒区岩体工程长期稳定性分析提供理论依据。     

人工冻结中砂岩尺寸特性力学性质的分析

基于最弱链模型和Weibull分布假设,采用损伤理论,建立了冻结状态下单轴压缩中砂岩损伤统计本构模型。然后采用WDT-100冻土试验机对不同体积中砂岩试样进行单轴压缩试验,分析了试验结果和冻结中砂岩力学参数和体积间的关系,得到了考虑体积因素的冻结中砂岩损伤统计本构模型参数。最后将其他体积冻结中砂岩试样的理论曲线与试验结果进行对比,两者吻合较好,显示了所建模型的合理性。     

高家堡煤矿冻岩单轴压缩力学性质试验研究

基于岩石低温损伤问题,为进一步研究砂岩低温下物理力学性质变化,对高家堡煤矿525,657和782 m深度层位砂岩,进行了不同低温(-15～-5℃)下的单轴压缩试验,观察3个深度层位砂岩在不同低温下的单轴压缩后的破坏模式,并分析应力、应变变化规律以及单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化规律。试验结果表明,在试验温度范围内,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比均受温度影响较大,单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低而增加,泊松比随温度的降低而减小。拟合出砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化曲线,得出结论:砂岩单轴抗压强度和弹性模量在-15～-10℃温度范围内的变化率,比在-10～-5℃温度范围内更大;而其泊松比变化率受温度影响不大。     

基于不同分布的分段式岩石损伤本构模型

基于干燥和饱水状态下的砂岩单轴压缩试验结果,采用传统的损伤本构模型得到的理论曲线与试验曲线吻合度较差,考虑其应力应变曲线的压密段,进行了分段式损伤本构模型的研究。微元强度采用幂函数分布和Weibull分布,并对两种损伤本构模型进行比较,分析饱水对砂岩本构模型的影响。结果表明:考虑压密段的分段式损伤本构模型优于传统损伤本构模型,采用幂函数的损伤本构模型优于Weibull分布的损伤本构模型,饱水降低了砂岩理论和试验曲线峰后段的吻合程度。     

改进的岩石Burgers流变模型及其试验验证

为了准确描述不同轴压下岩石流变过程中的瞬时应变变化规律,提出一种用于描述岩石流变试验中瞬时塑性应变变化规律的裂隙塑性元件,将该元件与传统Burgers模型相结合组成改进的Burgers模型,给出了模型加卸载流变方程,对该模型的蠕变特性进行了分析。对莒山矿粉砂岩进行瞬时三轴压缩试验,得到试样在不同围压下全应力-应变曲线,给出了围压与峰值强度的线性关系,对粉砂岩试样进行多级增量循环加卸载流变试验,对试验数据进行辨识和分析,结果表明:瞬时塑性应变在模型参数辨识过程中不能忽略。使用改进的Burgers模型对不同应力水平条件下粉砂岩加卸载流变试验结果进行了拟合,效果较为理想,同时与传统Burgers模型对试验数据的拟合效果进行比较,验证了改进模型的正确性和合理性。     

基于能量原理砂岩应变软化模型研究

为了建立基于能量原理的分段砂岩非线性损伤方程,对砂岩进行不同围压条件下三轴试验,并分析其峰后力学特性,得出以下主要结论:围压增大提高了砂岩扩容起始点对应的应力水平,延缓了砂岩的非线性扩张,围压在一定程度上提升岩石承载力;同时,减弱岩石的脆性破坏程度,增强延性,使得试样趋于形成单一剪切面,破坏后试样较为完整。考虑不同围压条件下,岩石峰后阶段主要沿着断裂面移动、滑动,仍然具有一定承载力,岩石形变率逐渐非线性减小。假定应力-应变关系变化规律满足三次多项式,通过能量原理建立非线性损伤模型,可以更好地反映岩石应力-应变关系与破坏情况,最终通过对比发现试验曲线与拟合曲线拟合度较高。     

冻结软岩的非线性弹性蠕变模型研究

采用分级增量加载方式,对冻结软岩进行单轴蠕变试验,试验结果表明,试件的弹性应力应变曲线呈非线性关系,对此引入非线性弹性元件对西原模型进行改进,建立非线性弹性蠕变模型,并对试验结果进行拟合,试验曲线与模型曲线较吻合,验证了模型的合理性。