本文選題：溫壓耦合　切入點(diǎn)：相似準(zhǔn)則　出處：《青島科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：在深部工程的開挖及資源開采過程中,隨著開采深度不斷增加,軟巖處于復(fù)雜高應(yīng)力場(chǎng)和高溫度場(chǎng)作用下,原先地質(zhì)軟巖或硬巖都可能轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ誊泿r,巷道圍巖大變形和流變特性更加明顯,巖體“固”化機(jī)理減弱,“流”化機(jī)理增強(qiáng),出現(xiàn)固流轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,對(duì)于深部軟巖巷道支護(hù)中的圍巖而言,造成災(zāi)害的主要原因是由軟巖的強(qiáng)流變性和大變形特征引起的,最常見的是軟巖體的流變及熱損傷能耗問題,掌握溫-壓作用下軟巖流變規(guī)律是解決此問題的關(guān)鍵。天然軟巖取樣困難以及本身離散型和隨機(jī)性,因此以石蠟為膠結(jié)劑的新型軟巖相似材料制成的標(biāo)準(zhǔn)試件為研究對(duì)象,通過對(duì)不同配比的相似軟巖試件進(jìn)行物性參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)、高低溫單軸破壞實(shí)驗(yàn)、高溫蠕變實(shí)驗(yàn),對(duì)其物性參數(shù)熱敏性、強(qiáng)度、高溫強(qiáng)蠕變特性及破壞形式進(jìn)行研究,分析破壞機(jī)理,在此基礎(chǔ)上,利用多場(chǎng)耦軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行多物理場(chǎng)下的數(shù)值計(jì)算,得到主要結(jié)論:(1)以相似三定理為理論依據(jù),利用量綱法結(jié)合方程法推導(dǎo)出包含溫度、滲流影響的相似理論體系,得到以基本力學(xué)參數(shù)及熱物性參數(shù)為指標(biāo)的18個(gè)相似準(zhǔn)則,利用相似準(zhǔn)則,以有機(jī)弱性熱敏性石蠟為膠結(jié)劑,以40目河砂及鐵粉等為骨料制備了四種配比的新型軟巖相似試件,通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)及熱學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得四類配比相似軟巖基本力學(xué)參數(shù)指標(biāo)都在相似原理范圍內(nèi)及四類相似軟巖的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)、熱阻隨溫度的變化規(guī)律。相似準(zhǔn)則作為模型實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù),對(duì)于指導(dǎo)模擬材料的選取及制備,模型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及開展都具有重要指導(dǎo)作用。(2)設(shè)計(jì)并研制出基于TAW-200型電子式多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的加熱制冷(高低溫)環(huán)境試驗(yàn)箱,環(huán)境箱由制熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、箱體、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等六大部分組成,可為模型實(shí)驗(yàn)提供-40℃~200℃恒溫環(huán)境,可用于巖石高低溫單軸壓縮、剪切、流變?cè)囼?yàn)及各種高低溫環(huán)境下的程序試驗(yàn),并可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高低溫單軸蠕變?cè)囼?yàn)。(3)對(duì)四類相似軟巖進(jìn)行不同溫度下單軸壓縮實(shí)驗(yàn),得到結(jié)論如下:(1)不同溫度下,相似軟巖試樣單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體上可劃分為壓密階段、線彈性階段、塑性變形階段及應(yīng)變軟化階段4個(gè)階段,且高溫時(shí)呈現(xiàn)強(qiáng)流變特性。(2)隨著溫度的增加,相似軟巖的彈性模量及峰值強(qiáng)度整體逐漸下降,在低溫-20℃溫度環(huán)境下,彈性模量及峰值強(qiáng)最大。(3)不同溫度下,相似軟巖試件的破壞形式不同。在-20℃~10℃之間,試件的破壞形式為貫穿破壞,屬于典型的脆性破壞;20℃~40℃破壞形式為不完全的貫穿破壞及剪切破壞,此類破壞形式介于脆性破壞及塑性破壞之間,具有明顯不完整性;50℃時(shí),試件破壞形式為剪切破壞與楔形碎片破壞兩種形式,呈現(xiàn)出強(qiáng)流變塑性破壞特征。(4)膠結(jié)劑石蠟含量越多,相似軟巖試件強(qiáng)度、彈性模量越大。(5)相似軟巖在常溫環(huán)境下抗壓強(qiáng)度、彈性模量表現(xiàn)出明顯的加載速率效應(yīng)。在100N/s~500N/s范圍內(nèi),抗壓強(qiáng)度、彈性模量先增大后減小;300N/s加載速率下,相似軟巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量最大。(4)對(duì)四類相似軟巖進(jìn)行不同溫度下單軸蠕變實(shí)驗(yàn),得到結(jié)論如下:(1)常溫下,相似軟巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本為線性,且溫度對(duì)于相似軟巖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響較小,隨著溫度的不斷上升,應(yīng)力-應(yīng)變曲線不斷向上偏移,且溫度越高,偏移的幅度越大;隨著溫度升高或者蠕變時(shí)間的不斷增加,平均蠕變模量不斷降低,降低的趨勢(shì)在30℃~40℃之間表現(xiàn)得尤為明顯;相似軟巖在常溫蠕變時(shí)發(fā)生壓密階段,而高溫下蠕變過程中無明顯壓密階段。(2)相似軟巖在不同溫度、應(yīng)力下三類蠕變規(guī)律:瞬時(shí)彈性變形及減速蠕變,瞬時(shí)彈性變形、減速蠕變及穩(wěn)定蠕變,瞬時(shí)彈性變形、減速蠕變及加速蠕變,分別對(duì)應(yīng)三類蠕變方程為指數(shù)方程,對(duì)數(shù)方程以及冪函數(shù)方程。(3)在相同軸壓、溫度下,相似軟巖的穩(wěn)定蠕變率隨著砂膠比的增大而逐漸增大。(4)引入溫度阻尼器,構(gòu)建包含應(yīng)力閾值、溫度閾值的新型相似軟巖非線性蠕變模型本構(gòu)方程,對(duì)于描述溫壓耦合作用下軟巖蠕變規(guī)律具有重要意義。(5)利用COMSOL Multiphysics分析了相似軟巖、原巖試件模型在不同溫-壓作用下的力學(xué)特性,得到的模擬結(jié)果都能很好地驗(yàn)證相似理論,同時(shí)通過對(duì)不同溫度下相似軟巖巷道模型蠕變特性的模擬計(jì)算,得到了溫度對(duì)于相似軟巖蠕變曲線、最大應(yīng)變能密度及最大等效蠕變速率等的影響規(guī)律。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD313

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本文編號(hào)：1677583