孔隙率对软岩相似材料破坏影响的试验研究

发布时间：2017-05-21 11:03

  本文关键词：孔隙率对软岩相似材料破坏影响的试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,各项重大的工程项目诸如南水北调工程、三峡开发工程、西气东输以及青藏铁路工程等都进行了大面积的岩土开挖,且随着开挖深度的不断增加,工程中涉及到的软岩也逐渐增多,围岩支护问题和软岩流变现象更加突出,这些都给施工人员和施工设备带来了巨大的安全隐患。所以,针对于软岩的研究刻不容缓。孔隙率作为影响岩石水理、热学性质及力学性质的重要指标,具有很大的研究价值。开挖深度的加大,使得地质环境更加复杂,同时也增加了取样成本,若仍完全采用真实岩石作为研究对象,显然不太实际。地质力学模型试验作为一种复杂工程问题的研究手段,它基于相似原理制作相似模型,通过对模型进行试验,可以为岩土工程更加深入的研究提供可能。本文基于国家自然科学基金面上项目“多场耦合深部软岩固流转化理论及能耗规律的研究”(51374134),经过对大量软岩相似材料试件进行各项物理力学试验来研究孔隙率对软岩相似材料破坏所产生的影响。本文所做的主要工作如下:基于地质力学模型试验相似原理,选择一定的几何相似比尺,对沉积岩中的页岩进行模拟。本文制备了一批具有五种不同孔隙率的软岩相似材料试件,并求得了一系列模型试验应当满足的参数范围。经过单轴压缩试验、巴西劈裂试验和三轴压缩试验验证了本文制备的五种不同孔隙率的软岩相似材料各项参数基本符合依据相似原理所求得的参数范围。通过以上三种试验,得到结论:软岩相似材料的单轴抗压强度、弹性模量、三轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力和内摩擦角均随着孔隙率的增大而减小;软岩相似材料的泊松比随着孔隙率的增大而增大。对试件进行了反复加卸载试验,得到结论:随着孔隙率的增大,塑性滞回能逐渐变大,即试件在加卸载过程中以内部裂隙的闭合、材料的屈服、破坏、断裂、损伤以及裂隙面的滑移摩擦等形式而消散掉的能量增多。通过对五种不同孔隙率中的三种进行单轴及三轴蠕变试验,得到结论:三种不同孔隙率的软岩相似材料的蠕变曲线与真实岩石的蠕变曲线具有较好的相似性,大致可以分为三个阶段,即初始蠕变阶段,稳定蠕变阶段以及加速蠕变阶段;随着孔隙率的减小,破坏载荷的值逐渐增加,且轴向应变的值也逐渐增大。在三轴蠕变试验的基础上,利用ANSYS软件对软岩巷道进行蠕变分析,得到结论:随着孔隙率的增大,最终的蠕变值减小,且蠕变增量逐渐减小,蠕变趋于稳定。通过模拟后发现:巷道的顶板与底板的应变较为明显,证明可能发生顶板脱落与底鼓现象,与工程实际相吻合。
【关键词】：孔隙率 相似 力学特性 蠕变 ANSYS 模拟
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 选题背景、目的及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 软岩的定义、分类及特性11-13
• 1.2.2 软岩相似理论的研究现状13-14
• 1.2.3 岩石单轴抗压、抗拉强度试验研究成果14-16
• 1.2.4 能量耗散试验研究成果16
• 1.2.5 软岩蠕变试验研究成果16-17
• 1.3 本文研究目的、内容及意义17-19
• 2 相似理论的研究19-30
• 2.1 相似理论19-21
• 2.1.1 相似三定理19
• 2.1.2 相似理论的推导方法19-21
• 2.2 软岩模型试验相似理论的推导21-29
• 2.2.1 模型试验方法及其特点21
• 2.2.2 试验中相似理论的推导21-29
• 2.3 本章小结29-30
• 3 不同孔隙率软岩相似材料的制备30-39
• 3.1 软岩相似材料的选择依据30
• 3.2 软岩相似材料的相似准则30-31
• 3.3 软岩相似材料试件的制备31-38
• 3.3.1 软岩相似材料试件的几何形状及加工精度要求31-32
• 3.3.2 试验设备及工具32-35
• 3.3.3 软岩相似材料孔隙率的计算35-36
• 3.3.4 软岩相似材料的制备过程36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 软岩相似材料单轴抗压、抗拉、三轴抗压及循环加卸载试验39-54
• 4.1 单轴压缩试验39-42
• 4.1.1 试验过程39-40
• 4.1.2 试验数据处理40-42
• 4.2 抗拉强度试验42-45
• 4.2.1 试验过程43
• 4.2.2 试验数据处理43-45
• 4.3 三轴压缩试验45-49
• 4.3.1 试验过程45
• 4.3.2 试验数据处理45-49
• 4.4 循环加卸载试验49-53
• 4.4.1 试验过程49
• 4.4.2 试验数据处理49-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 软岩相似材料蠕变规律的试验研究54-70
• 5.1 岩石的流变特性54-56
• 5.2 岩石的流变模型56-63
• 5.2.1 岩石流变基本元件56-58
• 5.2.1.1 弹性模型（胡克体）56-57
• 5.2.1.2 塑性模型（圣文南体）57
• 5.2.1.3 黏性模型（牛顿体）57-58
• 5.2.2 岩石流变的本构组合模型58-63
• 5.2.2.1 麦克斯韦体58-59
• 5.2.2.2 开尔文体59-60
• 5.2.2.3 广义开尔文体60
• 5.2.2.4 饱依丁-汤姆逊体60-61
• 5.2.2.5 伯格斯体61-62
• 5.2.2.6 西原体62-63
• 5.3 软岩相似材料的单轴蠕变试验63-65
• 5.3.1 试验过程63-64
• 5.3.2 试验数据处理64-65
• 5.4 轴压对软岩相似材料单轴蠕变试验影响的研究65-67
• 5.4.1 试验过程66
• 5.4.2 试验数据处理66-67
• 5.5 软岩相似材料的三轴蠕变试验67-68
• 5.5.1 试验过程67-68
• 5.5.2 试验数据处理68
• 5.6 蠕变曲线的拟合68-69
• 5.7 本章小结69-70
• 6 ANSYS对深部软岩巷道蠕变规律的模拟及仿真70-81
• 6.1 ANSYS分析步骤70-71
• 6.2 实际工程背景及参数的设定71-73
• 6.2.1 实际工程背景71-72
• 6.2.2 软岩巷道仿真参数的设定72-73
• 6.3 蠕变规律的数值模拟73-80
• 6.3.1 蠕变模型的建立73
• 6.3.2 模拟结果分析73-80
• 6.4 本章小结80-81
• 结论与展望81-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 攻读学位期间发表的学术论文与授权专利及参加科研项目88-89

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本文编号：383430