考虑初期损伤的岩石蠕变模型

为了描述岩石稳定蠕变阶段的非线性特征,现基于Kachanov提出的损伤律推导了损伤变量在衰减、等速蠕变阶段随时间的演化方程,然后根据Lemaitre应变等效原理得到了有效应力随蠕变时间、初始损伤变量和最小损伤变量的变化关系,再将有效应力代替广义开尔文蠕变模型中的Caucy应力,从而建立了考虑初期损伤的广义开尔文蠕变模型。根据泊江海子煤矿砂质泥岩的三轴压缩蠕变试验数据对广义开尔文蠕变损伤模型进行辨识。辨识结果表明:考虑初期损伤的广义开尔文模型理论曲线和试验曲线吻合度非常高,对衰减和等速阶段的描述效果远好于传统广义开尔文模型。     

高围压高水压条件下岩石非线性蠕变本构模型

基于高围压高水压条件下砂岩三轴压缩蠕变试验结果,分析岩石蠕变规律,选取Burgers模型对低应力水平下的蠕变特性进行描述,效果较为理想。当应力水平高于屈服应力时,岩石在经历一段时间后发生加速蠕变。采用幂函数、对数函数混合方程对加速蠕变段进行拟合,再通过类比的方法提出一个新的非线性黏性元件,并将其与塑性体并联,得到一个可以反映岩石加速蠕变特性的非线性黏塑性模型,将该模型与Burgers模型串联,构建一个新的六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并推导了该模型在常规三轴应力状态下的蠕变本构公式。结合试验结果,运用通用全局优化算法,对提出的非线性黏弹塑性蠕变模型参数进行了辨识,辨识结果验证了新构建模型的正确性与合理性。     

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。     

考虑空隙影响的岩石统计损伤模型研究

为得到岩石在不同围压作用下变形特性以及岩石空隙对变形损伤的影响,采用TAW-2000岩石试验系统对砂岩进行室内三轴压缩试验;构建考虑岩石空隙损伤的三轴压缩统计损伤模型,以及提出确定分布参数和空隙损伤影响系数的方法,通过模型曲线和试验曲线对比,验证建立损伤模型的正确性与合理性。结果表明：该模型对传统破坏模型引入空隙损伤影响系数可以较好地描述损伤演化,并能反映出三轴压缩试验曲线的软化特性。该模型对传统破坏模型引入空隙损伤影响系数可以较好地描述损伤演化,并能反映出三轴压缩试验曲线的软化特性。岩石在同一围压作用下的损伤变量的变化规律都是呈现出先增大后趋于稳定的趋势,这是由于岩石在荷载作用下内部原生裂隙会进一步发展、扩散,直至贯通为宏观裂缝,导致岩石发生变形破坏,后续试验岩石试样沿着破裂面滑移,最终使得岩石的损伤程度逐渐加剧。由拟合结果可知,建立的统计损伤模型可较好地反应岩石的变形特性,也可较为真实反映巷道围岩的变形情况,对实际工程中巷道围岩-支护体的设计具有指导意义,但是实际工程中围岩所受的三向应力大小各不相同,鉴于试验条件约束无法实现,故需要在以后研究中对岩石做真三轴试验,才能更好地反映实际...     

分级加卸载条件下岩石的弹塑性流变特性

利用RMT-150C微机控制电液伺服岩石力学试验机测定了三岔河矿区顶板粉砂岩的各项物理力学指标;采用分级加卸载的方式在RYL-600岩石剪切流变试验仪上进行了一系列的岩石流变试验;分析试验数据,发现该区岩石具有弹性-粘性-粘弹性的流变特性,总结岩石流变特性,对其流变模型进行辨识,发现岩石的流变特性与伯格斯模型性质很相似;利用伯格斯模型对该区岩石的流变特性展开研究,求取了不同应力水平下伯格斯流变模型各项参数,利用伯格斯方程拟合得出岩石的流变理论曲线,理论曲线和实际试验数据吻合较好,说明伯格斯模型能较好地反映三岔河矿区顶板粉砂岩的流变特性.     

岩石压缩能量演化规律及非线性演化模型研究

为了研究岩石在不同围压作用下的压缩能量演化规律,采用MTS815.02试验机对阜新恒大煤矿砂岩进行不同围压下三轴压缩试验,通过能量法计算出不同条件下的弹性能变化曲线,分析不同围压作用下岩石压缩能量演化规律,以及在同一围压作用下弹性模量对弹性能变化规律的影响。基于广义虎克定律和能量守恒定律,并考虑弹性能与能量释放率的关系,引入微元强度的概念,建立一种新型的能量非线性演化模型。结果表明:随着围压增大,岩石的弹性能和总能量在峰值处的数值基本呈线性增大趋势,且常规三轴压缩时的能量远大于单轴压缩时的能量,说明围压可以有效提升岩石的储能能力;在峰前阶段,模型曲线与试验数据拟合程度较高,在峰后阶段,模型曲线也可以较好地描述弹性能与轴向应变之间的关系,模型曲线与试验曲线具有良好的拟合度。这表明该模型更加接近围岩实际的变形破坏演化规律,建立的模型可以较好地反映岩石弹性能-应变变化关系,且建立的模型中的参数都可以通过试验进行确定,引入的分布参数也具有明确的物理意义。模型曲线与峰后试验曲线虽然有较大的偏离,但该模型不仅能描述峰前阶段曲线变化规律,也对峰后曲线变化规律有所描述,弥补了原有能量模型不能描述峰后曲线变化规律的缺点。     

含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究

为研究分析在高地应力条件下,含水率对泥质粉砂岩损伤劣化和变形破坏规律的影响,据此在15、25和35 MPa的高围压下,通过对干燥、二种自然含水、自然饱水和强制饱水5种不同含水状态的泥质粉砂岩进行三轴压缩试验,研究岩石受到水岩作用对岩石强度、变形特性及其损伤、破坏的影响。研究结果表明:随着含水率的增大泥质粉砂岩的强度、变形特性和破坏模式等损伤劣化规律明显;基于Weibull分布,利用峰值强度和弹性模量,结合含水率与岩石损伤本构模型参数之间的关系,从而建立了可以反映多条试验曲线的统计损伤本构模型。所建立的统计损伤本构模型与试验曲线大致相吻合,可以较好地反映高应力下条件下水岩作用下岩石的水化损伤破坏。     

基于非定常分数阶的岩石时效性蠕变模型

为了研究砂岩在不同围压作用下的蠕变特性,采用MTS 815.02试验机对砂岩进行三轴蠕变试验,进而分析了砂岩在不同围压作用下的蠕变变形规律.将黏壶黏滞系数非定常化来构建非定常Abel黏壶,在此基础上对分数阶阶数进行非定常化,进而建立一种基于非定常分数阶的砂岩时效性蠕变本构模型,使得该模型可以更好地描述岩石的加速蠕变变形规律;通过Levenberg-Marquardt算法对三轴蠕变模型参数进行识别,来验证构建蠕变模型的正确性.结果表明:在时间和应力双重作用影响下,将分数阶阶数γ当做是一个关于应力和时间的函数,构建的非定常分数阶砂岩三维时效性蠕变本构模型可以很好地描述岩石的加速蠕变变形规律;模型曲线和试验曲线拟合均在0.95以上,侧面证明了将分数阶阶数非定常化是可行的.同时,采用单轴蠕变曲线和蠕变模型曲线进行对比,得出试验数据与一维时效性蠕变模型的吻合度也较高,这进一步说明了采用非定常化分数阶阶数建立的一维时效性蠕变模型是可靠的.     

根据松弛模量求近似松弛谱的方法研究

高聚物材料在特定的温度下都是黏弹性材料。找出材料的松弛谱对研究材料的应力松弛规律和压陷阻力特性是十分重要的。以广义Maxwell模型为基础,研究了此模型下的数学公式并对公式表达形式进行变换。采用理论分析和仿真模拟的方法,找到松弛模量变化规律和松弛时间的近似对应关系,根据得到的关系可以近似确定需要的松弛谱。     

牛马司水井头矿粉砂岩分级加载条件下的流变特性

取牛马司水井头煤矿粉砂岩,用RMT-150C微机控制电液伺服岩石力学机测得了粉砂岩的相关力学参数;在RYL-600仪器岩石剪切流变试验仪上采用分级加载方式进行岩石流变试验,得到了位移-时间曲线;处理位移-时间曲线为应变-时间曲线,分析应变-时间曲线,发现该粉砂岩有弹性-粘性-粘弹性的流变特性,这与伯格斯模型性质相似;用MATLAB对试验数据进行伯格斯方程拟合,得出4个应力水平下粉砂岩的流变拟合曲线,发现拟合曲线能较好地反映实验数据,表明伯格斯模型能较好地反映粉砂岩的流变特性;并求出了不同应力水平下粉砂岩流变模型的各项参数.     

富水煤层巷道顶板失稳机理与围岩控制技术

为了研究煤层巷道粉砂质泥岩直接顶受基本顶裂隙水侵蚀后,巷道掘进过程中易于发生冒顶事故的原因,通过现场调研、取样、实验室试验和理论分析相结合的综合研究手段揭示出富水煤层巷道顶板失稳的机理在于：巷道开挖后产生的顶板裂隙形成了直接顶与基本顶含水层之间连通的通道,使得微结构裂隙发育和含有较高的亲水性矿物粉砂质泥岩吸水,其吸水后产生了较高的膨胀应力,并在三向受力状态下发生崩解、破坏,锚杆承载基础弱化和较高的膨胀应力引起了煤层巷道顶板失稳。同时针对富水煤层巷道顶板失稳机理,提出了通过减少顶板水运动对围岩的破坏、优化巷道断面和高预应力来实现该类巷道顶板的稳定。工程实践表明,采用半圆拱巷道、合理布置疏水孔以及高预应力锚带网索组合支护体系可确保对该类巷道顶板的有效控制。     

泥岩顶板大断面开切眼锚梁网支护技术应用

针对梅花井煤矿112201工作面切眼跨度大、粉砂质泥岩顶板遇水易崩解软化、顶板破碎难支护的技术难题,对112201工作面切眼顶板岩样进行了X射线衍射实验,研究了切眼粉砂质泥岩顶板遇水失稳的影响因素,并据此确定了大断面粉砂质泥岩顶板开切眼支护技术参数。现场实践表明,锚梁网支护技术有效地解决了大断面粉砂质泥岩顶板切眼的支护问题,为综采工作面的安全、高效生产提供了技术保证。     

泥岩变温蠕变试验温度修正及蠕变特性

以郓城煤矿泥岩为研究对象,进行了常温范围内泥岩变温三轴压缩蠕变试验,试验结果表明常温范围内温度对泥岩蠕变应变影响较大,对泥岩蠕变速率影响较小,进行泥岩蠕变特性分析前必须对蠕变试验结果进行温度修正。根据温度周期变化下岩石稳态蠕变试验结果,提出了常温范围内岩石蠕变试验温度修正方法,该方法能较好的辨识得到岩石的温度应变率以及岩石的稳态蠕变速率,采用该温度修正方法对泥岩变温蠕变试验结果进行了辨识和修正,结果表明常温范围内围压25 MPa条件下泥岩温度应变率约为2.80×10-5 /℃,修正后泥岩蠕变特性与西原模型相符,试样的稳态蠕变速率与轴向偏应力近似呈线性关系。     

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。     

基于卸荷试验路径的泥岩变形特征及数值计算

通过先固结后径向卸载的三轴剪切试验方法模拟煤矿泥岩巷道开挖过程中应力状态变化,在试验围压内,径向卸荷条件可以用Drucker Prager强度准则较好地描述软岩破坏过程。蠕变试验结果表明：随偏应力水平的降低,蠕变速率明显减小,当偏应力水平较低时（10 MPa）,轴向蠕变无变化,蠕变速率几乎为0;当轴应力较高时（35 MPa）,泥岩蠕变过程经历减速、定常和加速蠕变3个阶段。根据试验提出了泥岩的弹黏塑流变本构模型,将泥岩的蠕变试验结果与计算值进行对比：两者变形规律完全一致且数值较吻合,从而验证了泥岩本构模型的正确性。     

饱和尾粉砂动孔隙水压力发展特性试验研究

采用动三轴仪对内蒙古某尾矿库尾粉砂进行了动强度试验,研究了围压、相对密实度及固结比对动荷载作用下尾粉砂中孔隙水压力发展特性的影响。研究结果表明,随着固结比、相对密实度、围压的增大,动荷载作用下饱和尾粉砂孔压增长曲线形状由陡峭转变为平缓。随着围压及固结比增大,试样动力破坏形式从以孔压值为主要表征指标的液化破坏,转化为以动剪应变为主要破坏形式的软化破坏。动荷载作用下发生液化破坏的饱和尾粉砂孔压增长过程分可为初始增长阶段、稳定增长阶段和快速增长至破坏阶段,孔压增长曲线表现为明显的反S型,本文采用双对数函数对该试验孔压增长曲线进行拟合,结果表明该模型可以较好地模拟尾粉砂在动荷载作用下的孔压发展规律。     

复合顶板大断面煤巷围岩稳定性试验研究

为探讨复合顶板大断面煤巷围岩渐进性破坏机理,以晋城煤业集团赵庄煤矿为工程背景,采用石膏单元板等相似材料,进行了煤巷开挖掘进、锚杆与锚索一体化支护相似模型试验研究。研究结果表明：分级加载条件下,以泥岩和砂质泥岩为主的复合顶板大断面巷道围岩底臌严重,围岩两帮移近量相对较小,顶板整体下沉较大;围岩底臌属挤压隆起型,两帮属脆性压裂破坏,顶板破坏呈现出离层破坏特征;顶、底角处的围岩受到水平应力为主的双向应力,其破坏均为剪切型挤压破坏。     

基于退化角的岩石峰后应变软化模型

反映围压对岩石峰后脆性的影响,提出了描述岩石峰后软化行为的新参数,即退化角。对山西含碳泥岩三轴试验数据拟合表明,退化角与围压呈线性关系。推导了岩石峰后软化中等效塑性剪切应变与退化角之间的关系式,提出了基于退化角的岩石峰后应变软化模型。在FLAC环境下,利用Fish函数方法开发了相应的数值计算程序。数值算例研究了山西含碳泥岩在不同围压下的应变软化过程,模拟结果与试验数据规律基本一致,表明：退化角能较好地描述围压对岩石峰后脆性的影响;建立的峰后应变软化模型合理而可靠,为岩石峰后软化过程模拟提供了新的思路。     

湘江阶地粉质粘土边坡失稳分析与治理

利用边坡监测结果和室内试验,对湘江阶地上的粉质粘土边坡失稳机理进行全面的研究。研究结果表明,土体开挖成坡后,边坡中出现了由应力重分布引起的应力集中和张应力带;而大量的水进入土体后,一方面降低了土的粘聚力和内摩擦角,并使土的粒间吸力丧失,另一方面增加了土的容重,产生了不利于边坡稳定的静水和动水压力。张应力和水的共同作用,是导致了边坡失稳的直接原因。