【摘要】：深部軟巖體受到溫度場、化學(xué)場以及應(yīng)力場等環(huán)境場的作用,其大變形和流變的特性顯著增強(qiáng),對地下深部巖石工程的正常開展有較大的影響,針對復(fù)雜的地下耦合環(huán)境,基于比較成熟的相似理論體系,采用類軟巖材料對真實(shí)軟巖在地下環(huán)境中的物理力學(xué)行為進(jìn)行模擬,得到不同耦合條件作用下的類軟巖材料強(qiáng)度和流變特性的變化規(guī)律,將為深部軟巖工程中的巷道開挖、支護(hù),以及圍巖的穩(wěn)定性分析提供可靠依據(jù)。首先通過對比大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果對類軟巖材料試件的制作方法和制作設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),然后基于傳熱學(xué)、化學(xué)動力學(xué)以及損傷力學(xué)等對溫度、化學(xué)、應(yīng)力耦合控制理論進(jìn)行了分析推導(dǎo),通過進(jìn)行溫度、化學(xué)耦合作用以及應(yīng)力影響下的單軸壓縮、三軸壓縮以及單軸蠕變實(shí)驗(yàn)等,對不同環(huán)境因素對類軟巖材料強(qiáng)度、變形和蠕變特性變化規(guī)律的影響展開研究,并以上述理論及實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果為基礎(chǔ),利用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics對多場耦合作用進(jìn)行模擬分析計(jì)算。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)通過對比實(shí)驗(yàn)研究的方法,對不同制作方法下試件的成型質(zhì)量進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)對開模具的脫模成型質(zhì)量優(yōu)于圓筒形模具,一次性裝填更易獲取抗壓強(qiáng)度和彈性模量波動較小的試件,且機(jī)器壓實(shí)的試件成型質(zhì)量更好;在此基礎(chǔ)上對試件制作工具進(jìn)行了改進(jìn),分別設(shè)計(jì)了篩網(wǎng)水平立式篩分機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室小型稱量攪拌一體機(jī)和手搖式雙側(cè)同步進(jìn)給圓柱試件模具,從篩沙、攪拌和壓制成型等方面對試件制作設(shè)備進(jìn)行了升級。(2)基于改進(jìn)的試件制作方法和原巖特性分析,采用水泥、河沙等為原料制作類軟巖材料試件,對其進(jìn)行不同溫度、酸堿度耦合作用實(shí)驗(yàn),并以質(zhì)量增量為對象,初步分析了耦合環(huán)境對類軟巖試件的物理特性影響;借助XRD技術(shù),對不同環(huán)境場作用后的類軟巖材料進(jìn)行了成分的鑒定分析。(3)分析了溫度場、化學(xué)場以及應(yīng)力場對軟巖力學(xué)特性的作用機(jī)理,以基本假設(shè)為前提,在溫度控制理論中將化學(xué)反應(yīng)的能量交換考慮在內(nèi),綜合了熱膨脹以及熱損傷,建立了溫度作用的控制方程,在此基礎(chǔ)上基于損傷理論,將溫度、化學(xué)以及應(yīng)力損傷考慮在內(nèi),建立了軟巖在多場作用下的本構(gòu)方程,提出了溫度、化學(xué)影響下的巖體多場耦合控制方程組。(4)針對耦合條件下的類軟巖試件進(jìn)行了單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn),得出:(1)類軟巖材料受到溫度、化學(xué)以及應(yīng)力的作用,由彈性變形變?yōu)閺椝苄宰冃?塑性、延性特性增強(qiáng),使應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生波動;隨著溫度的升高,三種pH值環(huán)境中應(yīng)力-應(yīng)變曲線的壓密階段均有逐漸增加的趨勢,相應(yīng)的,彈性變形的特性逐漸減弱。(2)隨著溫度的升高,中性溶液中的類軟巖材料延性增強(qiáng),流變的特性更加明顯,而酸性和堿性溶液則逐漸向脆性轉(zhuǎn)變。(3)三種pH值溶液中試件的彈性模量隨著溫度的升高均呈先減小后增大的趨勢;不同酸堿度環(huán)境中割線模量受溫度影響的平均變化率均高于彈性模量;堿性環(huán)境中類軟巖材料的彈性模量和割線模量相對穩(wěn)定。(4)圍壓對抗壓強(qiáng)度的影響作用因pH值的不同而有所差異,中性環(huán)境下,圍壓對抗壓強(qiáng)度的作用隨著溫度升高影響逐漸增強(qiáng),而酸性和堿性環(huán)境下,對類軟巖材料的抗壓強(qiáng)度的影響隨著溫度升高逐漸降低;隨著溫度的升高,內(nèi)聚力在中性和酸性環(huán)境下逐漸增加,而堿性環(huán)境下則呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律;酸性和中性環(huán)境下類軟巖材料的內(nèi)摩擦角均隨著溫度的升高呈降低的趨勢,而堿性環(huán)境下則呈升高的趨勢。(5)通過分級加載蠕變實(shí)驗(yàn),分析了溫度、pH值以及應(yīng)力對類軟巖材料蠕變特性的影響規(guī)律,建立了考慮耦合環(huán)境損傷的蠕變模型,認(rèn)為:(1)隨著應(yīng)力水平的增加,類軟巖材料的穩(wěn)態(tài)蠕變率均呈逐漸增大的趨勢,不同蠕變時間上的應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段斜率均逐漸減小;隨著溫度的增加,pH值對材料蠕變特性的影響逐漸減弱;(2)以飽依丁-湯姆遜模型為基礎(chǔ),考慮耦合環(huán)境損傷的影響,得到可以描述加速蠕變階段并將損傷考慮在內(nèi)的新的蠕變模型,分析了模型中各個參數(shù)對蠕變曲線的影響,并用該模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合驗(yàn)證。(6)通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn):(1)溫度的變化對化學(xué)反應(yīng)有一定的影響作用,溫度升高能夠促進(jìn)反應(yīng)的速率加快,隨著反應(yīng)時間的延長,同一化學(xué)成分在不同的溫度環(huán)境下的濃度最終都趨于一致;化學(xué)作用對溫度同樣有一定的影響作用,在t=100h前,化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的吸放熱使溫度梯度的波動明顯。(2)試件圓柱體中心以及端面邊緣的受力較大,應(yīng)力較大的區(qū)域在試件中呈“X”形分布。(3)應(yīng)力場對類軟巖巷道蠕變特性的影響作用仍占主導(dǎo)地位,最大應(yīng)力和最大蠕變應(yīng)變主要分布在巷道兩幫與底面的接觸處,隨著時間推移,變形不斷向周圍擴(kuò)散;不同溫度、化學(xué)作用同樣對類軟巖巷道蠕變規(guī)律有一定的影響,當(dāng)pH值、應(yīng)力和蠕變時間相同時,溫度升高使得巷道的蠕變變形增加,而溫度、應(yīng)力以及蠕變時間相同的情況下,堿性環(huán)境下的巷道蠕變應(yīng)變更小。 【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD315

【圖文】：

圖 1-1 應(yīng)力場、溫度場、滲流場耦合關(guān)系圖Fig1-1 Coupling diagram of stress field, temperature field and seepage field世紀(jì) 70 年代開始，，巖體的多種環(huán)境場耦合問題便成為國內(nèi)外巖學(xué)者研究的重點(diǎn)，進(jìn)入 80 年代中期，NOORISHAD 等人逐漸關(guān)合問題，從理論基礎(chǔ)到實(shí)驗(yàn)研究，逐步建立起了巖體多場耦合環(huán)體系[49,50]。許多國家建立了大型的地下實(shí)驗(yàn)室來研究不同類型巖性。例如美國能源部的國家地下實(shí)驗(yàn)室針對地下巖土體多場耦合列研究，其針對凝灰?guī)r進(jìn)行了應(yīng)力、水流、溫度和水流、化學(xué)、的三場耦合作用實(shí)驗(yàn)研究。在研究巖體在耦合環(huán)境問題時，初期環(huán)境下的特征為主，隨著研究水平不斷提高，逐步發(fā)展到固流熱合研究。開始于 1992 年的 DECOVALEX 計(jì)劃即為針對于地質(zhì)介-流體流動-化學(xué)反應(yīng)的耦合作用問題展開的大型國際合作研究項(xiàng)目MC 耦合作用的數(shù)學(xué)模型以及數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，包括中家都參與了該項(xiàng)目，并取得了豐碩的成果[51-54]。

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立耦合作用下類軟巖材料的蠕變模型。(6)利用多場耦合數(shù)值模擬分析軟件 COMSOL Multiphysics 建立類軟巖模型以及巷道圍巖模型，首先模擬分析溫度場、化學(xué)場的耦合，然后對類軟料耦合作用后的單軸以及三軸壓縮力學(xué)特性進(jìn)行分析，最后對應(yīng)力場、化學(xué)溫度場耦合作用下的類軟巖巷道進(jìn)行流變特性研究，得到不同耦合條件下的圍巖蠕變變形特性。圖 1-2 為本文開展課題研究的技術(shù)路線。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2712431