峰前卸荷损伤白砂岩材料强度及蠕变特性研究

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深部地下工程在深埋或高地应力环境下不可避免地会遇到地下岩体的稳定性问题。与浅埋工程岩体相比,深部岩体是深部资源和地下空间开发直接作用的载体。深部地下资源开采过程中,围岩经历了一个复杂的加卸载过程,因此深部工程岩体开采伴随着强烈的卸荷扰动。对于硬岩地下工程,应力的加载和卸载往往会导致两种形式的失稳和破坏:(1)由结构面控制的重力驱动块体失稳,如地面塌陷和岩体垮塌;(2)应力诱发的破坏或屈服,如剥落、板状、膨胀和岩爆。对地下工程围岩稳定性和现场人员人身安全构成巨大威胁。因此,研究卸荷条件下岩体的变形破坏机理不仅具有重要的理论价值,同时对深部巷道失稳前设计合理支护手段提供理论依据,具有控制巷道围岩大变形破坏之目的。本文依托山东省自然科学基金“高温后砂岩蠕变失稳等效规律研究”(ZR2021QE202)和煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室开放研究基金“地下工程应力-损伤场对多孔介质材料蠕变等效规律研究”(JYBSYS2018204),以四川省自贡市白砂岩为试验样本,开展了峰前卸荷损伤白砂岩单轴抗压强度试验,峰前卸荷损伤和围压共同作用的三轴抗压强度试验以及峰前卸荷损伤白砂岩的单轴蠕变试验,主要研究了峰前卸荷损伤、围压对白砂岩强度及蠕变特性的影响。利用扫描电镜观测峰前卸荷损伤白砂岩破裂面的微观结构,结合断口学对其细观破坏形式进行分析,搭建了峰前卸荷损伤白砂岩从宏观到细观破坏的演化机制关系。基于能量耗散原理建立了白砂岩损伤本构模型,以时效损伤效应为基础提出了蠕变损伤变量,最终建立了考虑峰前卸荷损伤效应的白砂岩西原蠕变模型。根据实验结果,运用ABAQUS软件对峰前卸荷损伤白砂岩的单轴再承载试验进行了对比数值模拟,实验结果吻合较好。主要研究内容和结论如下:(1)开展峰前卸荷损伤作用、地下工程围压对深井巷道破碎区白砂岩强度影响的三轴抗压试验,确定白砂岩的峰前卸荷点为峰前抗压强度(σul=0、50%、60%、70%、80%、90%),峰前卸荷损伤围压(1 MPa)。对白砂岩原材料进行基本物理、化学性质测试,介绍了峰前卸荷损伤白砂岩试样的制备方法。(2)分别对峰前卸荷点σul=0、50%、60%、70%、80%、90%、卸荷损伤围压1 MPa的白砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了峰前卸荷损伤白砂岩的强度特性和变形规律,并借助扫描电子显微镜对试样微观断口结构进行观察分析。基于Lemaitre应变等价原理的岩石峰前卸荷损伤度指标,该指标能够较准确地描述峰前卸荷损伤白砂岩的单轴抗压强度的变化规律。同时基于能量耗散和能量释放原理,从混凝土、岩石力学角度出发建立了峰前卸荷损伤白砂岩的损伤本构模型,所建立峰前卸荷损伤白砂岩损伤本构模型可以较好描述白砂岩在不同损伤程度下的应力-应变规律,并分析了临界损伤值Dcr与损伤程度之间的关系。随后考虑声能、光能等能量损耗,对峰前卸荷损伤本构模型进行改进,改进后模型更好的描述峰前卸荷损伤白砂岩的损伤变化情况。随后开展峰前卸荷损伤白砂岩三轴压缩试验,探究了峰前卸荷损伤(σul=0、50%、60%、70%、80%、90%)、围压(1MPa、2 MPa、3MPa)作用下白砂岩的强度特性和变形规律。根据试验数据和M-C屈服准则绘制了应力莫尔圆,得到内聚力c和摩擦角?等参数。利用ABAQUS数值模拟软件进行峰前卸荷损伤弱化影响下的白砂岩的数值模拟压缩试验,分析了峰前卸荷损伤作用对白砂岩单轴强度特性和变形规律的影响,研究结果证明数值模拟试验开展的合理性。(3)对白砂岩试样进行了不同损伤程度峰前抗压强度(σul=0、50%、60%、70%、80%、90%)下的蠕变试验。白砂岩试件属于弹塑性材料,表现出明显蠕变特性。基于峰前卸荷损伤白砂岩蠕变试验研究,建立了综合考虑峰前卸荷损伤白砂岩物理力学性质的粒子群优化BP神经网络(PSO-BPNN)预测模型,经试验数据训练后PSO-BPNN预测模型较BPNN预测模型能够更好地预测峰前卸荷损伤砂岩的长期强度,预测长期强度数据吻合度更高。西原蠕变模型可以较好地描述峰前卸荷损伤白砂岩的减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段及加速蠕变阶段。基于时效效应的蠕变损伤变量建立了考虑峰前卸荷损伤白砂岩西原蠕变模型,该非线性蠕变模型理论曲线与试验曲线拟合度极高,验证了考虑峰前卸荷损伤白砂岩西原模型的正确性,可以较好地描述峰前卸荷损伤白砂岩蠕变特性变化规律。
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