软岩屈服面流变本构模型及围岩稳定性分析

用先高围压固结再卸载的三轴剪切蠕变试验方法模拟深部矿井软岩巷道开挖过程中应力状态随时间的变化过程,通过大量的试验获得:在试验围压范围内软岩蠕变强度包络线可以用Mogi-Coulomb准则来描述;侧向卸荷条件下软岩具有十分明显的剪胀性,且体积应变占总应变的10%～20%。为了全面反映极软岩在卸载状态下的蠕变变形规律,提出了考虑体积变形的Mogi-Coulomb屈服面型流变本构力学模型。对淮南某深部矿井软岩三轴蠕变试验和巷道开挖支护过程进行了有限元数值模拟,结果表明:提出的蠕变本构模型能够较好地反映软岩的剪胀性和体积应变等蠕变变形规律,数值模拟结果和现场实测吻合良好。     

软岩巷道二次合理支护时间的确定

针对软岩巷道围岩破坏性强、难支护的特性,提出了软岩巷道二次合理支护时间的确定方法,用于指导工程实践。从岩石应力-应变关系、蠕变过程、长期强度和能量耗散的角度进行软岩巷道的流变破坏机理分析。采用圆形断面巷道及西原模型,结合弹性力学基本解与西原模型本构关系,引入损伤变量,应用拉普拉斯变换及逆变换,并求导得到围岩变形速率方程。通过蠕变试验结合最小二乘法拟合或者位移反分析法求出蠕变参数,进而确定软岩巷道围岩二次合理支护时间,对于地下支护理论设计具有一定的指导意义。     

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。     

基于分数阶无网格法的岩石流变特性试验研究

研究了分数阶广义Kelvin模型的本构关系,并将其引入到无网格方法中,从而推导出新的算法公式。运用MTS815.02型电液伺服岩石力学试验系统,对泥质砂岩进行压缩蠕变试验。应用分数阶Kelvin无网格法进行反演验证,获得良好效果。     

考虑强度参数弱化非线性损伤本构模型研究

为了研究不同孔隙水压作用下砂岩蠕变特性和岩石强度参数的劣化规律,通过MTS815. 02试验机开展不同孔隙水压条件下的砂岩蠕变试验,根据Lemaitre应变等效基本假定推导出关于强度参数劣化的损伤变量公式,并结合基本西原体模型建立了砂岩加速蠕变阶段的非线性损伤本构模型,得出以下结论:在孔隙水压作用下,岩石的应变响应更加灵敏;随着水压的增大岩石蠕变加速阶段的蠕变速率显著增大,说明水压对岩石强度参数具有削弱作用;同时当砂岩处于高应力状态下,即应力超过长期强度时岩石的强度力学参数存在明显的弱化,不再是一个定值且随着时间和过应力差变化而变化,并且受孔隙水压的影响;最终结合非线性蠕变损伤模型曲线与三轴蠕变试验曲线的良好吻合性,验证了所建立损伤本构模型的正确性与合理性,对采空区覆岩稳定性评价尤其是富水地层条件的沉陷区土地重复利用、安全评价具有指导意义。     

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．     

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。     

勘察参数与本构模型参数转换关系初探

对于包括地铁明挖基坑和矿山竖井等地下工程的数值仿真分析,其结果可靠度取决于两个关键的因素,一是模拟基坑周边岩土体采用的本构模型,二是这些本构模型参数的可靠程度。而常规岩土勘察工作不能提供高级岩土本构模型(例如修正剑桥模型、小应变应变模型)参数,分析人员一般根据经验确定参数的取值,这为分析结果带来极大的不确定性和随意性。以施工实测位移响应反演确定岩土本构模型参数则较为准确,但是确定的岩土参数通常只适用于单一目标地质情况,不能推广应用到其他工程。本文基于岩土本构参数和常规勘察物理指标和力学试验结果的内在关联性,以及岩土参数的地区特性,拟以北京地区一定数量的明挖基坑工程为分析样本,在通过反演确定岩土本构模型参数的基础上,进一步考察常规勘察物理指标及力学试验结果与岩土本构模型参数之间的关系,拟探索两者之间是否存在强相关性并初步建立相关公式。研究结果希望从表观层次,为基坑或竖井支护设计,由常规勘察物理指标和基本力学试验结果来确定高级岩土本构模型参数,提供基础数据资料和方法初步探索。     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

基于分数阶微积分理论的泥岩蠕变损伤本构模型

泥岩在吸水膨胀时,其各力学参数均会发生明显变化。建立泥岩分数阶损伤蠕变模型结构图,引入描述岩石损伤程度的损伤变量,当应力水平超过岩石的长期强度时,在泥岩加速应变率加载情况下,建立基于分数阶微积分理论的非线性蠕变损伤模型,基于蠕变模型建立加速应变率加载情况下的泥岩蠕变本构模型。通过本构模型得到,在加速蠕变阶段,应变与时间呈指数函数关系。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明,分数阶β为岩体固有参数并且能够反映岩体硬度,在加速蠕变阶段,分数阶损伤蠕变本构模型能够较好地描述泥岩蠕变的应力—应变关系。     

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。     

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。     

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。     

基于位移增量的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析

深部高地应力下硐室围岩蠕变力学参数不准已成为制约岩体工程理论分析和数值计算发展的"瓶颈"问题,因而确定可靠的岩体蠕变参数服务于工程实际成为重点关注的课题,为此提出基于位移增量敏感性分析的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析方法。该方法基于描述深部高地应力条件下围岩蠕变随时间破坏特征的分数阶微积分的蠕变本构模型,取较为典型的主硐室顶拱位移、拱肩位移和边墙位移作为表征围岩的特性指标,从参数敏感性分析着手,确定模型中对位移较为敏感的5个蠕变参数(瞬时剪切模量、黏性系数、黏弹性剪切模量、黏弹性系数、分数阶系数β),并遵循"大值原则"和"敏感性原则"提取位移增量数据,输入主厂房和主变室等不同位置的现场位移增量监测信息建立多数据融合的适应度函数,采用均匀设计方法构造各参数不同水平组合的学习样本和训练样本,通过遗传算法与神经网络相结合的智能优化算法在解的全局空间进行搜索,确定反演蠕变参数值,最终通过灰色关联度和后验差法联合校核位移增量实测值与计算值。实例分析结果不仅表明智能优化算法获得的硐室围岩蠕变参数可靠性高,也验证了该法的有效性和合理性,同时为深部高地应力大型硐室长期稳定性评价时参数确定提供一个新手段。     

深部高应力软岩巷道变形破坏特性研究

以济北矿区唐口煤矿为工程背景,基于巷道围岩地质力学测试,阐述了深部高应力软岩巷道的基本工程地质特征;基于Burgers流变模型的黏弹性理论分析,得到深部高应力软岩巷道围岩表面位移及位移速率的表达式,并利用数学软件Matlab绘制了不同原岩应力、弹性模量和黏滞系数的巷道围岩表面位移及变形速率随时间的变化曲线;采用FLAC3D模拟了深部高应力软岩巷道的流变特性,分析了在高应力作用下,软岩巷道围岩的顶板、底板和两帮的流变变形规律。     

不同应力状态下岩石蠕变全过程

基于岩石流变理论,采用解析方法和蠕变试验分析相结合,研究了不同应力状态下岩石黏弹塑性变形全过程的表述方式、对应的本构方程、蠕变方程、蠕变破坏时间、蠕变变形与破坏属性,建立了岩石三维黏弹塑性蠕变基本方程的统一格式.该统一格式可方便描述蠕变变形全过程,包括根据不同应力状态呈现出完整3阶段全过程,或其中某2个蠕变阶段组成的蠕变变形全过程.将其应用于以西原模型表述的三轴蠕变试验,建立了相应的三轴蠕变本构方程、蠕变变形公式的显式.利用某地片麻岩蠕变试验结果,验证了所建立理论模型的正确性.     

深部高应力巷道数值模拟本构模型的选择

通过对深部巷道围岩力学和变形特征的分析,运用弹塑性、应变软化和蠕变3种模型分别模拟高应力下的巷道变形破坏特征,得出蠕变模型的变形量大于其他模型,且受力状态最差。利用华丰煤矿的实测数据验证深部高应力巷道的蠕变变形量远大于掘进时的短期变形量。最后得出深部高应力巷道的模拟应采用蠕变模型。     

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。