尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

考虑胶结物含量的充填体蠕变特性研究

胶结充填体处于长期荷载环境,其长期服役性能关系到采空区的安全与稳定.为了探究胶结充填体蠕变变形特征,开展了胶结充填体的单轴分级加载蠕变试验,探讨了胶结物含量对胶结充填体蠕变变形破坏特性的影响,建立了能够表征胶结物含量的胶结充填体蠕变损伤本构模型,推导了相应的蠕变本构方程.研究结果表明:(1)长期荷载作用下,胶结充填体存...     

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:(1)不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;(2)不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;(3)对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;(4)构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试...     

高水充填材料失稳破坏特征研究及性能改善

针对高水充填材料强度低、稳定性差等问题,对高水充填材料的性能进行改善,并通过应力-应变和蠕变试验,研究高水充填材料失稳破坏特征;通过扫描电镜与差热-热重实验,研究高水充填材料的微观结构与高水充填材料的改善机理。结果表明:高水充填材料在应力水平较小时,蠕变曲线有衰减蠕变和稳定蠕变2个阶段;当应力水平达到临界荷载时,蠕变曲线出现加速蠕变阶段;应力-应变关系曲线宏观上有4个阶段:初始变形阶段,弹性阶段,塑性变形阶段和破坏阶段;改善后的高水充填材料胶凝时间缩短,抗压强度提高,弹性模量增大,失稳破坏的临界荷载提高,变形减小;改善后的高水充填材料生成更多的钙矾石晶体和铝胶,硬化体微观结构更致密,有利于提高充填体的承载能力。     

分级加载下矸石胶结充填材料蠕变特性研究

矸石胶结充填材料用于煤炭资源的充填开采时,其长期工作性能关系到采空区安全与稳定。为探讨无侧限充填体长期稳定性,制备不同骨料级配和不同水胶比的试样进行单轴压缩分级加载蠕变试验,并分析了长期稳定强度、蠕变硬化系数等参数。结果表明:基于A.N.Talbol骨料级配理论制备的矸石胶结充填材料可满足流动性能要求,其28d单轴抗压强度随水胶比增加而降低,n为0.8时最高,为6.73MPa;除n为0.9外,其他n值的充填体蠕变破坏强度大于28d单轴抗压强度,长期稳定强度在n为0.6时最高,为8.13MPa,n为0.9时最低,为4.47MPa,且随水胶比增加而降低,从8.82MPa降至5.83MPa,水胶比0.642是其急速转缓慢下降的临界值;在n为0.6、水胶比0.542时,蠕变硬化系数最大,分别为1.31和1.38,且随n值和水胶比增加而降低。     

大尺寸高水材料巷旁充填体蠕变特性试验研究

针对高水材料巷旁充填体具有蠕变特性的特点,采用自行研制的大尺寸(1500 mm×600mm×900 mm)蠕变实验系统和FLAC3D数值模拟软件对其蠕变特征进行了试验研究,分析了高水材料充填体蠕变过程中瞬时、稳定及加速3个阶段位移和应力随时间的变化特征,指出充填体蠕变极限载荷随高水速凝材料水灰比降低而提高;结合充填体在加速蠕变阶段变形速度过大的特点,为确保井下充填体长期稳定,需保证充填体保持在稳定蠕变阶段,认为充填体载荷不超过其强度的70%~80%时较为合理。     

砂岩的三维非线性损伤蠕变特性

岩石的蠕变性质对预测巷道围岩失稳、保障矿山生产安全等具有重要影响,岩石蠕变本构模型的建立是研究岩石蠕变变形特性的重要依据。针对传统蠕变模型难以反映岩石的加速蠕变阶段特征的问题,提出了一种改进的西原体模型,建立了一个可变黏性系数的黏性元件,用来替代传统西原体模型中的常规黏性元件,并推导出改进后的西原体模型的本构方程和一维、三维蠕变方程。通过不同应力等级下的三轴压缩蠕变试验,采用Origin软件对该模型进行参数辨识及曲线拟合,对比分析实际试验数据与模型参数,结果表明：试验实际数据值与理论计算值吻合度均大于0.93,改进的西原体模型能够准确描述岩石加速蠕变阶段的特征,验证了该模型的正确性和适用性,具有重要的理论意义。     

充填体单轴压缩蠕变特性试验研究

以李楼铁矿灰砂比为1∶6的充填体为研究对象, 采用恒定荷载加载方式对充填体试样进行了单轴压缩蠕变试验, 试验结果表明充填体具有特定的蠕变特性。选用伯格斯模型研究了充填体的蠕变变形特性; 利用阻尼最小二乘法对模型参数进行拟合, 得出了相应模型的理论蠕变曲线。结果显示:模型的理论蠕变曲线与试验曲线相吻合, 可较好地模拟充填体的蠕变变形特性。     

不同水固比富水充填材料失稳破坏特征研究

为探讨在开采扰动作用下不同水固质量比富水充填材料失稳破坏时的特征与临界条件、水固质量比对富水充填材料变形特性的影响,通过蠕变、应力-应变等试验,研究了不同应力条件下不同水固质量比富水充填材料的蠕变性能及应力-应变特征,并得到了不同水固质量比充填材料失稳破坏的临界荷载。结果表明：富水充填材料在应力水平较小时,蠕变曲线有衰减阶段和稳定阶段2个阶段;当应力水平达到临界荷载时,蠕变曲线表现出3个阶段,衰减阶段、稳定阶段和加速阶段;水固质量比为1.7、2.0和2.5的充填材料失稳破坏的临界荷载分别为其28 d抗压强度的92%、90%和85%,临界荷载随着水固质量比的提高而降低;应力-应变关系曲线宏观上有4个阶段：初始变形阶段,弹性阶段,塑性变形阶段和破坏阶段;弹性模量随着水固质量比的提高而降低。     

不同含水率下矸石胶结充填体蠕变特性试验研究

地下矸石胶结充填对西部矿区水资源及生态环境的保护起着至关重要作用.为探究地下水长期浸润作用对矸石胶结充填体蠕变力学特性的影响,采用三轴分级加载蠕变试验,分析了含水率变化对矸石胶结充填体蠕变特性及长期强度的影响规律,建立了描述其蠕变全过程的分数阶本构模型,并利用T-R法反演辨识获得了分数阶蠕变模型相关参数.结果表明:随着试样含水率的增加,矸石胶结充填体的蠕变变形与瞬时变形呈增大趋势,而蠕变历经时长和破坏应力均逐渐减小;通过改进的稳态蠕变率拐点法分析表明,胶结充填体的长期强度与含水率呈线性负相关,当充填体由干燥至饱和时,其长期强度下降了约13％.基于蠕变试验,模型理论结果与试验结果吻合良好,能够描述矸石胶结充填体蠕变变形的全过程.     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

基于硬化和损伤效应的岩石非线性蠕变模型

岩石的蠕变过程是岩石内部应力不断调整,硬化和损伤效应不断发展并共同作用的结果。借鉴经典元件模型的建模思路,将岩石的初始屈服强度作为蠕变硬化的应力阈值,岩石的长期强度作为损伤软化的应力阈值,引入能反映岩石硬化效应的硬化函数和损伤效应的损伤变量,建立能够全面反映蠕变机制的岩石非线性蠕变模型。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不仅能够很好地描述蠕变全过程,而且可以全面反映岩石蠕变过程中的蠕变硬化和损伤软化机制。     

基于改进的Poyting-Thomson蠕变损伤模型研究

针对原Poyting-Thomson模型不能很好地反映软岩受载蠕变过程中的加速蠕变阶段问题,在原Poyting-Thomson模型的基础上,串联了一个非线性元件,依据能量损伤理论中弹性模量的变化定义损伤变量,构建了一个在软岩受载时,能描述软岩全蠕变变形特征的新蠕变模型,并通过对砂岩的单轴压缩实验来验证构建出的模型的合理性。研究表明,以砂岩试件蠕变时间35 h为分界点,35 h前实验蠕变曲线处于衰减与等速蠕变阶段,35 h后实验蠕变曲线处于加速蠕变阶段,采用ORIGIN绘图软件分别对2个阶段进行模型函数拟合,得出了拟合曲线能够较好地吻合实验蠕变曲线,函数拟合精度高,证明了该模型的合理性。     

基于塑性扩张的岩石变参数蠕变损伤模型与工程应用

为研究岩石蠕变损伤过程与围岩塑性区扩展之间的内在联系,建立基于塑性扩张的变参数蠕变损伤模型(BNMC模型),该模型认为岩石塑性屈服面随蠕变时间动态变化,在σ-τ空间内,强度包络线随蠕变时间的增加而逐渐内移。采用线性插值法对该模型各蠕变参数进行处理,获得任意连续偏应力水平对应的蠕变模型参数,从而实现BNMC模型的数值化。采用该模型对金川二矿区-1 098 m水平中段下盘运输巷的蠕变变形进行数值模拟,对比研究未支护裸巷和喷锚支护巷道的蠕变变形规律。研究发现,未支护裸巷围岩塑性区边界不是一成不变的,而是随时间的发展,塑性区边界逐渐向外扩张,围岩承载力逐渐下降,从而导致围岩加速蠕变显现,巷道蠕变失稳;通过对喷锚支护巷道的蠕变数值模拟结果和多点位移计实测结果的对比,发现数值模拟曲线与实测曲线在走势上基本吻合,但在量值上实测蠕变位移值要略大于数值模拟结果;由于支护与围岩的相互作用,支护在一定程度上改变了围岩的偏应力状态和位移,阻止了围岩塑性区边界扩张,喷锚支护巷道在0~200 d的蠕变计算时段内,未呈现出加速蠕变性态。     

岩石蠕变损伤模型及其稳定性分析

采用微分方程描述方法,建立了单轴和三轴情况下岩石全程应力应变过程中的非线性蠕变损伤模型,分析了岩石的蠕变损伤过程和对应阶段的稳定性,讨论了蠕变损伤过程中模型参数的变化规律及其对应的稳定性.第1阶段蠕变对应系统状态是稳定的;第2阶段是随遇平衡;第3阶段是非稳定的,在外界扰动下会失稳.利用软岩在第3阶段蠕变损伤的对应加速蠕变特性,编写有限元程序模拟岩石的损伤过程,可为预测、预报系统的失稳现象提供理论依据.     

采动地表移动变形与建筑物损坏程度评价的再认识

实测数据分析的目的是认识地表移动规律和确定预计参数,而沉陷预计的目的是评价采动损坏程度。无论实测数据分析还是形变预计,地表倾斜、曲率和水平变形等主要指标都是基于下沉和水平位移2个移动分量;不均匀下沉在引起地表倾斜和曲率变形的同时,也会导致采动建筑物水平变形和破坏。通过分析起伏地形和不均匀沉陷在实时位形上对地表变形的作用关系,建立了地表水平和起伏条件下采动地表倾斜变形引起的地表水平变形表达式;以采动地表正曲率变形为例,分析确定了建筑结构长度、高度、最大挠度、挠度比与地表曲率的关系,定性给出了建筑结构顶部伸长量、拉伸变形及其影响规律;进一步分析了建筑结构与地基相互作用的反力分布以及拉伸和剪切作用下建筑物损伤破坏特征。在继承我国现行规范中采动建筑物损坏评价优点的基础上,针对硬性分级存在的不足以及I,IV级损坏再划分的模糊性,借鉴英国沉陷工程师手册中考虑建筑物结构长度影响的思想,建立了综合考虑水平变形、建筑物结构长度和挠度比的采动损坏分等定级指标体系;实验结果分析表明,同等采动地表变形条件下建筑结构越长其损坏越严重,证明该指标体系的损坏程度评价结果比现行规范中单纯考虑地表变形的方法更科学、客观,同时消除了原来I,IV级损坏再划分的模糊性和不确定性。     

Research on new type of numerical method for material creep analysis

Based on the principles of virtual work for continuum medium, the element free Galerkin method to simulate the numerical calculations of steady-state creep was used and the discrete equation was derived in meshlss method for steady-state creep. The essential boundary conditions and volume incompressible conditions can be realized by employing the penalty parameters, so the symmetric positive definite system stiffness matrix can be yielded. Results of numerical cases show that element free Galerkin method, with its high accuracy, is much more convenient to deal with the pre-process and post-process, the results by meshless method is in good agreement with the exact solution data. Supported by the Youth Science Foundation of Anhui Province(08040106831); Key Projects on College Natural Science Research of Anhui Province (KJ2008A125)     

不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。     

Design of forecast system of mining damage in mining areas and its realization

Introduction Underground mining owns the percentage of 75 in all of oral mineral areas and absolute advantages in coal mining. Underground mining owns 92.5 % in coal mining and 67.3 % in all of the used mining fields, then the underground coal mining is the largest kind of dimensions in ore mining. So the mining damages are the biggest damages and own more areas[1].People evaluate that the economic loss result from the col-lapse of mining ground is high to 400 000 000 Yuan each year. The larg…     

Nonlinear creep damage model for soft rock under uniaxial compression

A nonlinear creep-damage model for soft rock under uniaxial compression was presented, which takes into account both nonlinear creep and damage growth with time. The model is based on the hardening theory. The model is validated through comparison with experimental results.