【摘 要】
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随着煤炭开采向深部延伸,深部破裂软岩注浆固结体在长期载荷作用下会逐渐发生流变失稳,危及注浆加固工程的安全稳定性。由于注浆固结体的蠕变特性和长期强度是衡量破裂岩体注浆加固效果和长期稳定性的关键指标,因此开展破裂软岩注浆固结体的蠕变特性研究具有重要的意义。本文依托陕西省自然科学基础研究计划项目“深部破裂软岩注浆固结体的蠕变力学特性及应用研究”,采用实验室试验、理论分析、数值模拟相结合的方法,对完整红砂
【基金项目】
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国家自然科学基金项目,深部峰后破裂围岩注浆渗流扩散与加固机理研究,51604214; 陕西省科技厅自然科学基础研究计划项目,深部破裂软岩注浆固结体的蠕变力学特性及应用研究,2019JQ-381; 中国博士后科学基金资助项目(2016M592818);
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随着煤炭开采向深部延伸,深部破裂软岩注浆固结体在长期载荷作用下会逐渐发生流变失稳,危及注浆加固工程的安全稳定性。由于注浆固结体的蠕变特性和长期强度是衡量破裂岩体注浆加固效果和长期稳定性的关键指标,因此开展破裂软岩注浆固结体的蠕变特性研究具有重要的意义。本文依托陕西省自然科学基础研究计划项目“深部破裂软岩注浆固结体的蠕变力学特性及应用研究”,采用实验室试验、理论分析、数值模拟相结合的方法,对完整红砂岩和注浆固结体进行了同步的单轴压缩蠕变试验、VIC3D试验和声发射试验,并进行了三轴压缩蠕变试验,探究了注浆固结体在单轴、三轴压缩蠕变试验中的蠕变特性与破坏特征。基于试验结果确定了蠕变本构模型并进行了参数辨识,开展了破裂巷道围岩注浆固结体的蠕变数值模拟研究。论文的主要研究内容及结论如下:(1)通过对完整红砂岩和注浆固结体开展常规抗压强度试验,获得了试样的单轴抗压强度、三轴抗压强度和弹性模量等力学参数。(2)破裂红砂岩注浆固结体在单轴压缩蠕变试验中经历了衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段;在相同级数的应力水平下,注浆固结体的蠕变速率值较大且等速蠕变时间更短;通过分析等时应力应变曲线得到了注浆固结体的长期强度;在加速蠕变阶段,注浆固结体的声发射事件的数量大于完整红砂岩,并且在较低应力水平下便产生蠕变再破坏。(3)相对于完整红砂岩而言,破裂红砂岩注浆固结体在三轴压缩蠕变下的蠕变时间较短。在相同载荷级数下,注浆固结体的轴向蠕变值和蠕变速率较大而等速蠕变时间较短。随着围压的增大,注浆固结体试样的轴向总蠕变值不断增大。注浆固结体在不同围压下的长期强度约为试样瞬时强度的85%。(4)基于单轴和三轴压缩蠕变试验结果,利用广义Kelvin模型、西原模型及Burgers模型对完整红砂岩和注浆固结体的蠕变曲线进行了参数辨识,并进行了吻合度的对比分析,结果表明Burgers模型能够较好地描述试样的线性蠕变特性。利用非线性蠕变本构模型,对试样的非线性蠕变阶段进行拟合并对模型参数进行辨识,获得了较好的拟合效果。(5)基于试验结果所选取的蠕变本构模型和蠕变参数,嵌入多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics中,结合实验室蠕变试验相同的物理力学参数,对注浆固结体蠕变开展了数值模拟研究,对比验证了蠕变本构模型的正确性。在此基础上,建立深部破裂巷道围岩注浆固结体的蠕变数值模型并分析得到了巷道围岩的蠕变变形和破坏特征。
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