膠乳水泥模擬軟巖蠕變行為的研究.pdf

1、復(fù)雜地質(zhì)條件下深部軟巖蠕變規(guī)律及其破壞機(jī)理的研究是地下工程的開(kāi)展和深部圍巖的支護(hù)等實(shí)際問(wèn)題有深遠(yuǎn)的意義。隨著地下工程和礦產(chǎn)開(kāi)采不斷向更深部發(fā)展，淺層巖石蠕變理論和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)已不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。深部軟巖面臨的環(huán)境更加復(fù)雜，高溫、復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)、多介質(zhì)等因素均影響其蠕變行為，蠕變?cè)囼?yàn)開(kāi)展難度大且時(shí)間周期長(zhǎng)，影響蠕變的參數(shù)難以確定。相似試驗(yàn)為地下巖土工程的研究提供了一個(gè)新的方法，利用模型試驗(yàn)的方式對(duì)軟巖蠕變行為進(jìn)行模擬，可以迅速、經(jīng)濟(jì)的確定影

2、響軟巖蠕變的主要因素。本文擬尋求一種低彈性模量的相似材料以模擬軟巖的蠕變特征。以相似準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行的模型試驗(yàn)，可以通過(guò)原型和相似材料的蠕變?cè)囼?yàn)力學(xué)參數(shù)，建立兩者之間的規(guī)律性。首先通過(guò)調(diào)整不同配比的膠乳水泥進(jìn)行試驗(yàn)，并將模型試驗(yàn)結(jié)果與原型的試驗(yàn)參數(shù)比對(duì)，確定適合的相似材料;繼而進(jìn)行相似材料的蠕變?cè)囼?yàn)反推軟巖的蠕變規(guī)律和破壞機(jī)理。
　　課題以國(guó)家自然科學(xué)基金“瀝青、橡塑、軟巖流變軟化理論及相似模擬的研究”(51074094)等為背景進(jìn)

3、行研究。通過(guò)對(duì)軟巖相似模型試驗(yàn)所遵循的相似準(zhǔn)則推導(dǎo)確立了相似試驗(yàn)的相似指標(biāo)，并以此為理論依據(jù)指導(dǎo)相似材料的配比和相似試驗(yàn)的開(kāi)展。以丁苯膠乳為膠結(jié)劑的膠乳水泥配制相似材料，通過(guò)相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)確定適合模擬軟巖蠕變特性的配比，確定相似材料的養(yǎng)護(hù)方式和試驗(yàn)方法;通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)頻譜試驗(yàn)研究了溫度對(duì)蠕變行為的影響;通過(guò)電鏡試驗(yàn)對(duì)軟巖及相似材料蠕變的微觀形貌及破壞發(fā)生的微觀特征進(jìn)行研究;確定了軟巖溫度-應(yīng)力條件下的蠕變模型并對(duì)原型和模型的參數(shù)進(jìn)行擬合;結(jié)

4、合工程實(shí)際，利用FLAC進(jìn)行了蠕變數(shù)值模擬，證明膠乳水泥可能較好的模擬軟巖的蠕變行為。試驗(yàn)結(jié)果、參數(shù)擬合及數(shù)值模擬結(jié)果得到了相互驗(yàn)證，且符合相似準(zhǔn)則。結(jié)果證明，所研制的相似材料可以較好的模擬軟巖的蠕變規(guī)律。對(duì)該材料開(kāi)展更多的試驗(yàn)，來(lái)尋求軟巖的蠕變規(guī)律，可用于指導(dǎo)工程實(shí)際工作。本文開(kāi)展的具體研究工作如下:
　　1.以相似理論為理論依據(jù)，通過(guò)量綱分析法推導(dǎo)軟巖線彈性階段和蠕變階段所遵循的相似準(zhǔn)則，并考慮溫度、密度等對(duì)相似準(zhǔn)則的影響。對(duì)

5、獲得的相似判據(jù)進(jìn)行研究，確定相似試驗(yàn)所需要依賴的物理參量之間的相互關(guān)系，研究了溫度、時(shí)間、應(yīng)力及密度等相似性對(duì)相似試驗(yàn)開(kāi)展可能造成的影響。該相似準(zhǔn)則對(duì)相似材料的選取和配比的確定、相似試驗(yàn)的開(kāi)展起指導(dǎo)意義，并對(duì)相似試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;
　　2.選擇以膠乳水泥作為模擬軟巖蠕變現(xiàn)象的相似材料。分別利用三種膠乳配制膠乳水泥試樣，分析作為相似材料的可行性，確定了以丁苯膠乳和水泥作為膠結(jié)料、以砂為骨料作為相似材料的主要組成部分;研究了相似材料

6、的配比及制作過(guò)程中的養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)條件;針對(duì)軟巖相似材料的特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)試樣的要求，設(shè)計(jì)了適合相似材料的專用模具及裝置，包括可調(diào)整機(jī)架及獨(dú)立模具，能夠較好的對(duì)試樣進(jìn)行密實(shí)并頂出試樣。模具一體成型無(wú)接縫，克服了對(duì)開(kāi)?？赡軐?duì)試樣造成的模具對(duì)接不嚴(yán)密、難以壓實(shí)等不良影響。模具及裝置保證了制作相似材料的標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸精確度，提高了試樣制作效率;
　　3.開(kāi)展相似試驗(yàn)。研究頁(yè)巖的基本力學(xué)性能及蠕變特征，并利用掃描電鏡對(duì)軟巖斷口進(jìn)行觀測(cè)，從微觀結(jié)構(gòu)分

7、析軟巖的蠕變破壞機(jī)理;利用時(shí)溫等效理論推導(dǎo)了不同溫度下軟巖試驗(yàn)的時(shí)間-蠕變關(guān)系和溫度-蠕變關(guān)系。對(duì)不同含砂量的丁苯膠乳水泥進(jìn)行了單軸蠕變?cè)囼?yàn)，并利用動(dòng)態(tài)力學(xué)頻譜儀對(duì)不同溫度、不同配比的材料進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，研究了含砂量和溫度對(duì)蠕變曲線的影響，通過(guò)對(duì)比確定了以水泥∶膠乳∶砂為1∶0.2∶2的膠乳水泥作為軟巖相似材料。該材料兼具水泥的強(qiáng)度和膠乳的良好蠕變性能，可以較好的模擬軟巖的蠕變破壞規(guī)律，原型和模型有較高的相似性;同時(shí)證明了膠乳水泥具有較高

8、的溫敏性，含砂量過(guò)大時(shí)，膠乳水泥的抗壓強(qiáng)度反而下降。電鏡試驗(yàn)也表明，膠乳水泥和軟巖在微觀結(jié)構(gòu)和破壞方式上有一定的相似性。
　　4.在研究軟巖和相似材料蠕變規(guī)律的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了Burgers模型的本構(gòu)方程和蠕變方程，利用Oringin軟件對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行擬合并獲得蠕變主要物理參量的數(shù)值;以三維Burgers模型為蠕變模型，擬合了不同溫度下的移位因子，并建立了同一應(yīng)力條件下任意溫度下軟巖的蠕變?nèi)崃勘磉_(dá)式。
　　5.利用FLAC軟件