实验室制备岩石浆体流变本构模型研究.pdf

中图分类号婴三2 2 学科分类号 丝Q 3 Q 2 Q 论文编号 安徽理工大学 硕士学位论文 实验室制备岩石浆体流变本构模型研究 作者姓名俭云玉 专业名称采芷工程 研究方向芷出压力皇岩屋控剑 导师姓名盆乃忠谴进2 巫 导师单位安徽理王太堂 答辩委员会主席奎佩全教授级高王 论文答辩日期 2 0 1 6 年6 月4 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 6 年6 月7 日 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni nM i n i n gE n g i n e e r i n g s t u d yo n t h e r h e o l o g i c a lc o n s t i t u t i v em o d e l o ft h er o c k S l u r r y l _ 一一p r e p a r e di na b o r a t o r y C a n d i d a t e S u p e r v i s o r X u ．Y u n f e i X u - N a i z h o n g E n e r g yS o u r c e sa n dS a f e t yS c h o o l A n H u i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．1 6 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 0 1 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名签圣车日期竺丝年上月三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名扁、初0 导师签名簿，弓．手 签字日期“ ／t 缉- t ；月7 日 签字日期洌辞z 月，1 ／日 万方数据 摘要 摘要 研究岩石浆体的流变力学特性和本构模型，对于分析巷道开挖注浆加固后的 长期流变特性及围岩变形具有重要的参考价值。本文以淮北祁南煤矿3 4 下采区的 破碎泥岩顶板为研究对象，从现场取得破碎岩石，实验室制备岩性不同，破碎程 度不同，浆液成分不同的岩石浆体标准试件，采用试验研究、理论研究、数值验 证相结合的方法，对岩石浆体的力学特性及蠕变规律进行分析研究。 通过对岩石浆体试件基本力学特性试验和三轴分级加载蠕变力学特性试验， 得出不同试件的抗压强度以及不同应力水平下的蠕变曲线应变与时间的关系基 于岩石浆体的蠕变规律，建立了适用于岩石浆体的流变模型，将一个与时间相关 的描述加速蠕变阶段的非线性粘弹塑性元件与线性的元件B u r g e r s 模型相串联， 根据模型的结构推导出了它的三维本构方程；利用线性递减权重粒子群算法和非 线性最d - 乘法相结合，对流变模型的参数进行辨识，相关拟合度很高；利用 F L A C 3 D 软件验证了岩石浆体蠕变模型选取的合理性和参数辨识的精确性；对工 程实践现场巷道围岩采用推导出的模型结构，根据流变力学的基本解法，推导出 流变注浆巷道的围岩位移及变形速率公式，结合蠕变模型参数辨识结果预测围岩 位移变化的动态过程，为巷道支护提供较为可靠的依据，并结合现场实测围岩变 形数据来验证模型的正确性。 图【5 l 】表【5 】参【6 9 】 关键词岩石浆体；蠕变模型；粒子群最小二乘法；参数辨识 分类号T 1 3 2 2 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t T h es t u d yo fr h e o l o g i c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o n s t i t u t i v em o d e lo fr o c k s l u r r yh a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o r t h ea n a l y s i so fl o n gt e r mr h e o l o g i c a lb e h a v i o r a n dd e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k ．T h i sp a p e rt oH u a i b e iQ i n a nC o a lM i n e3 4 m i n i n ga r e ao fm u d s t o n er o o fa st h eo b j e c to fs t u d y , f r o mt h es c e n eh a sb r o k e nr o c k ， l a b o r a t o r yp r e p a r e dd i f f e r e n tl i t h o l o g y , f r a c t u r ed e g r e ed i f f e r e n t ，s i z ec o m p o s i t i o n , d i f f e r e n tr o c ks l u r r ys t a n d a r ds p e c i m e n ，u s i n gt e s tr e s e a r c h ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d n u m e r i c a lv e r i f i c a t i o nm e t h o d s ，o fr o c ks l u r r ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc r e e pl a wf o r a n a l y s i sa n dr e s e a r c h ． B a s e do nt h er o c ks l u r r ys p e c i m e n so ft h eb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s ta n dt h e t h r e ea x l el o a d i n gc r e e pt e s t ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fd i f f e r e n ts p e c i m e na n d d i f f e r e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec r e e pc u r v e so fs t r a i nl e v e la n dt i m e ；c r e e pl a wo f r o c ks l u r r yb a s e do nr h e o l o g i c a lm o d e lW a se s t a b l i s h e da n da p p l i e dt or o c ks l u r r y , aa t i m er e l a t e dd e s c r i b et h ea c c e l e r a t e dc r e e ps t a g eo fn o n l i n e a rv i s c oe l a s t o p l a s t i c e l e m e n ta n dl i n e a re l e m e n tB u r g e r sm o d e la r ed e d u c e da c c o r d i n gt ot h em o d e lo ft h e s t r u c t u r eo ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n so fi t ；t h ec o m b i n a t i o no ft h e l i n e a rd e c r e a s i n gw e i g h tP S O a l g o r i t h ma n dn o n l i n e a rl e a s ts q u a r e sm e t h o dt oi d e n t i f y t h ep a r a m e t e r so ft h er h e o l o g i c a lm o d e l ，t h er e l a t e dd e g r e eo f f i t t i n gv e r yh i g h ；v e r i f i e d t h ea c c u r a c yo fs e l e c t e dr o c ks l u r r yc r e e pm o d e li sr e a s o n a b l ea n dt h ep a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o nb y u s i n gF L A C 3 Ds o R w a r e ；t h er o a d w a ys u r r o u n d i n ge n g i n e e r i n g p r a c t i c eP u s hm o d e ls t r u c t u r ei sd e r i v e d ．A c c o r d i n gt ot h eb a s i cr h e o l o g i c a lm e c h a n i c s m e t h o d ，p u s hd e r i v ec r e e pg r o u t i n go fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kd i s p l a c e m e n ta n d d e f o r m a t i o nr a t ef o r m u l a ，c o m b i n e dw i t hc r e e pm o d e lp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s p r e d i c tt h ed y n a m i cp r o c e s so ft h ev a r i a t i o n so fd i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c k ，f o r r o a d w a ys u p p o r tt op r o v i d em o r er e l i a b l eb a s i s ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ef i e l do f s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o nd a t at ov a l i d a t et h em o d e lc o r r e c t n e s s ． F i g u r e 【51 】t a b l e 【5 】 r e f e r e n c e [ 6 9 】 K e yW o r d s R o c ks l u r r y ；c r e e pm o d e l ；l e a s ts q u a r em e t h o d ；p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 3 2 2 ．Ⅱ． 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题目的和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 岩石流变力学特性试验研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．3 岩石流变力学模型的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．4 岩石流变力学模型参数辨识的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 ．5 本文研究的主要内容和工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．5 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．5 ．2 研究技术路线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 岩石浆体基本物理力学特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 岩石浆体试件的制备和加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 单轴压缩变形试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 ．1 试验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 ．2 试验过程及步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．4 岩石浆体单轴压缩试验结果及其分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．4 三轴压缩变形试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 2 ．4 ．1 试验目的及原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l6 2 ．4 ．2 三轴压缩试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 6 3 岩石浆体蠕变力学特性试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 岩石浆体蠕变试验介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．1 蠕变试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．2 蠕变试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 ．3 蠕变试验操作步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 岩石浆体三轴分级加载蠕变特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．1 岩石浆体三轴蠕变试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 ．ⅡI - 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．2 ．2 岩石浆体三轴蠕变试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 2 3 ．2 ．3 岩石浆体三轴蠕变试验结果影响因子分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．2 ．4 岩石浆体三轴蠕变破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 4 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 5 4 岩石浆体蠕变本构模型建立及参数辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 4 ．1 岩石浆体蠕变变形分析与模型提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 岩石浆体蠕变模型三维本构方程的建立与探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 岩石浆体蠕变模型参数辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．3 ．1模型参数辨识基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．2 粒子群 P S O 算法基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．3 岩石浆体蠕变模型参数辨识结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 6 4 ．4 岩石浆体蠕变模型的数值验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 5 注浆巷道围岩流变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．1 流变学的一般解法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．2 注浆巷道围岩的流变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 ．1 注浆巷道围岩粘弹性力学分析的基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 ．2 注浆巷道围岩应力与变形的流变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 ．3 工程实测巷道围岩表面位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 0 6 结论与不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6l 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6l 6 ．2不足之处⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 9 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．Ⅳ． 万方数据 目录 C o n t e n t s A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1T h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 E x p e r i m e n t a ls t u d yo nr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so f r o c k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 1 ．3T h er e s e a r c hs t a t u so f t h er h e o l o g i c a lm o d e lo f r o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．4 T h er e s e a r c hs t a t u so f p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no f r o c kt h e o l o g ym o d e l 。4 1 ．5T h em a i nc o n t e n t so ft h i ss t u d ya n dw o r k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 I ．5 ．IR e s e a r c hc o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．5 ．2T h er e s e a r c ho fT e c h n o l o g yR o a d m a p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2B a s i cp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r o c ks l u r r yt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1R D c ks l u r r yt e s tp r e p a r a t i o na n dp r o c e s s i n gm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 2 ．2T h et e s te q u i p m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3u n i a x i a lc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o nt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 ．1T h ep r i n c i p l eo ft e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 ．2t e s ta n ds t e p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 2 ．3 ．4R o c ks l u r r yu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s ⋯⋯⋯。1 0 2 ．4t h r e ea x i a lc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o nt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．1T h et e s tp u r p o s ea n dp r i n c i p l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．4 ．2t h r e ea x i a lc o m p r e s s i o nt e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．5 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 E x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c r e e p o f r o c ks l u r r y ⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1I n t r o d u c e dt h er o c ks l u r r yc r e e pt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．1 C r e e pt e s ts c h e m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．2 C r e e pt e s te q u i p m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．1 ．3 C r e e p t e s tp r o c e d u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2T h r e ea x i sc r e e pc h a r a c t e r i s t i c so f r o c kg r a d i n gl o a d i n gs l u r r y ⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．1T h r e ea x i sc r e e pt e s tr e s u l t so f r o c ks l u r r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 0 3 ．2 ．2 A n a l y s i so f t h r e ea x i sc r e e pt e s tr e s u l t so f r o c ks l u r r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 ．V ． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．2 ．3 T h e i m p a c tf a c t o ro f t h r e ea x i sc r e e pt e s tr e s u l t so fr o c ks l u r r y ⋯．3 3 3 ．2 ．4T h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o c ks l u r r yt h r e ea x i sc r e e pd a m a g e ⋯⋯⋯．．3 4 3 ．3 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4C o n s t i t u t i v em o d e la n dp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no f r o c ks l u r r yc r e e p ⋯⋯⋯⋯⋯37 4 ．1R o d ts l u r r yc r e e pd e f o r m a t i o na n a l y s i sa n dm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2T h ee s t a b l i s h m e n to f t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no f r o c ks l u r r ym o d e l ．⋯．．3 8 4 ．3P a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no f r o c ks l u r r yc r e e pm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 ．1T h eb a s i cp r i n c i p l eo f m o d e lp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．3 ．2T h eb a s i cp r i n c i p l eo fP S O a l g o r i t h m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．3 ．3R o c ks l u r r yc r e e pm o d e lp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s ⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc r e e pm o d e lo fr o c ks l u r r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 0 4 ．5 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 A n a l y s i so fg r o u t i n gs u r r o u n d i n gr o c kr h e o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．1A g e n e r a ls o l u t i o no f r h e o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．2 R h e o l o g i c a la n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c ko f r o a d w a y ．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯．．5 5 5 ．2 ．1T h eb a s i ca s s u m p t i o no f v i s c o e l a s t i cs u r r o u n d i n gr o c km e c h a n i c s ．5 5 5 ．2 ．2A n a l y s i so f s t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c kr h e o l o g y ⋯5 5 5 ．2 ．3A n a l y s i so f t h em e a s u r e dd i s p l a c e m e n to f s u r r o u n d i n gr o c k ⋯⋯⋯．．5 9 5 ．3 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6T h ec o n c l u s i o n sa n dd e f i c i e n c i e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61 6 ．1T h em a i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 6 ．2D e f i c i e n c i e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 r e f e r e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 t h a n k s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．。．．．。。．．．．．．．．．．．．。．。。．．．．．．．．。．。．。．．．．。．。．．．．．．。6 1 9 I T h em a i nr e s e a r c hr e s u l t so fa u t h o ra n dG r a d u a t eS c h o o l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71 - Ⅵ- 万方数据 第1 章绪论 1绪论 流变特性作为岩体的重要力学特性之一并且地下巷道工程在长期载荷作用 下，经过很长时间之后仍会出现大变形甚至巷道失稳的情况，这也是由于岩石的 长期流变而导致的。近年来，随着采深的逐渐加大，岩石赋存的环境更加复杂， 高地应力、高温、高渗透压综合作用下巷道围岩的流变现象更加明显。因此，在 工程设计和施工中要充分考虑岩石的流变效应，避免流变导致巷道失稳。于是针 对特定岩石的流变变形规律来研究其对流变的影响有哪些因素，分析岩体内应力 应变以及时间作用关系对流变岩体的影响大小以及研究特定岩石的流变本构模型 和参数求解，对工程实践都具有重要的意义。 1 ．1 选题目的和研究意义 岩石存在流变现象是很普遍的，仅仅是明显与不明显的区别。随着岩石赋存 环境的复杂性，应力、温度、水等因素的综合作用下，流变特性越来越明显，特 别是软岩巷道的围岩流变会持续发展，泥质顶板遇水后更易软化，在很长时间内 都表现出较强的流变特性。在工程实践中，对于泥岩巷道，往往采用围岩注浆加 固的技术来减少其流变特性，以此来提高围岩的整体性和自身强度。因此，研究 注浆后的岩石的流变特性是很有必要的，对注浆岩体工程具有重要的参考价值。 对此，本课题将探讨注浆固结岩体的流变特性，通过试验分析、理论推导、数值 验证的方法结合，对岩石浆体的基本物理力学性质以及流变特性进行了分析，并 建立与之相适应的本构模型，引入用数值描述岩石浆体的流变强度和变形来解释 导致注浆后巷道流变失稳破坏的时间历程，并对模型的相关参数进行求解，以此 来解决相关岩性巷道的流变变形、失稳、破坏问题。 1 ．2 岩石流变力学特性试验研究现状 室内试验和现场原位试验是用于研究岩石流变力学特性的主要方法。对于如 今使用最多的是室内试验。国内外对室内单轴和三轴流变试验的研究取得了丰富 的成果。 M a r a n i n i m 对P i e t r aL e c c e s e 岩石进行室内蠕变试验，利用各种加载方式提出 该类岩石的主要蠕变机理是低围压下的裂隙扩展和高应力下的孔隙坍塌；L ．M a 和D a e m e n [ 2 1 对凝灰岩的进行了室内单轴蠕变试验，提出可以用幂函数来描述各级 应力下的瞬时蠕变；B e r e s t 掣3 】对盐岩进行了6 5 0 d 的室内蠕变试验，也表现出一 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 定量的流变现象，蠕变速率为7 1 0 “ 1 3 ／S ；许宏发 4 】根据室内试验泥质板岩的单轴 蠕变现象，根据软岩强度和弹模的时间效应导出适合的关系式，对岩石的长期强 度和长期弹模进行了介绍；陈渠等【5 】根据室内沉积软岩的三轴蠕变现象给出了不 同岩石在不同条件下的对强度和变形的影响结果不同；徐卫亚等【6 】根据室内绿片 岩的三轴蠕变试验现象给出了不同围压下应变随时间变化规律以及破坏形态；范 庆忠等【7 1 分别对红砂岩在分级加载的条件下进行了单轴压缩蠕变试验，结果表明 岩石的瞬时弹性模量和泊松比随着应力水平和变形量的增加有明显的增大；姜永 东等【8 】对砂岩进行了不同应力水平下的单轴蠕变试验，试验表明产生非稳定型蠕 变的一个临界值时屈服应力，当加载应力远小于屈服应力时只产生蠕变的l 、2 阶段，而当接近或大于是，蠕变3 阶段都有所表现；李铀等【9 】对广东某地红砂岩 进行了不同围压下、多轴受力时的蠕变松弛试验，结果表明轴压相同时侧压越高 蠕变量越小，围压相同时盈利越高松弛量越大；冒海军掣1 0 】根据室内板岩的三轴 蠕变试验现象给出了轴压很小时板岩只产生衰减蠕变与稳定蠕变两种过程；郭臣 业等【】对破裂砂岩进行了一系列加载水平的峰后蠕变试验，给出破裂砂岩也存在 长期强度，其失稳蠕变过程与煤岩的一般蠕变规律类似；杨文东等【1 2 1 根据室内辉 绿岩的三轴蠕变现象，给出了不同应力下加载是存在一个流变门槛值，并且临近 破裂时的恒向蠕变速率均不同程度的大于轴向蠕变速率。 从上述大量的蠕变试验结果可以看出，大部分岩石在较低的应力水平下岩石 变形只要表现为瞬时蠕变阶段、初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段三阶段；当应力水 平超过应力门槛值时，此时表现为流变阶段的加速蠕变阶段，试件发生破坏，并 且岩石的蠕变变形还受到轴压、围压等因素的影响。 1 ．3 岩石流变力学模型的研究现状 根据岩石流变过程中应力应变与时间的关系来推出对应的流变模型，经过多 年的理论研究，对于岩石流变模型的建立取得了丰硕的成果。 岩石的流变力学模型主要有经验模型和元件组合模型。经验模型是根据不同 岩石种类和不同试验条件得到蠕变曲线判断曲线属于何种类型，然后给出数学表 达式，主要的形式为幂函数、指数、对数等。然而，这些经验模型缺乏理论基础， 也只能反映曲线的形态而不能很好的反映岩石的内在机理和性质，并不能很好的 进行推广应用，目前对于其的使用已很少。 元件组合模型原理是把具有弹性、塑性和粘性基本性能的元件进行串联或并 联的组合，然后根据相应的微分方程建立适合特定岩石的本构模型。对于基本元 ．2 ． 万方数据 第1 章绪论 件组合的模型近年来对其研究取得了基本成功，有马克斯文模型、伯格斯模型、 广义凯文模型以及西原模型等，这些模型也能反映大部分的岩石蠕变变形曲线。 这些基本的线性元件组合模型也只能表现出岩石蠕变的前两个阶段，但对于第三 阶段的加速蠕变阶段并不能表现出来。最近几年来，许多学者对这些基本元件的 组合模型进行改进，以便研究岩石的蠕变全过程，取得了不少成果。曹树刚等I 】 对西原模型中的粘滞系数改成了非线性，给出了一种新的模型 H ．ml I №． M | I S 。．Ⅵ，该模型能很好的描述岩石的全蠕变过程；陈沅江等【1 4 】在开尔文体和胡克体 相结合的基础上串联了两个非线性元件蠕变体和裂隙塑性体，可以描述不同应力 水平下的软岩的全过程蠕变特性；周家文等【1 5 】在广义的B i n g h a m 的本构方程中引 入衰减蠕变和加速蠕变阶段特征的非线性韩式，得到参数较少的新的非线性蠕变 模型徐卫亚等1 6 】把非线性黏塑性体 N v P B 串联在广义K e l v i n 模型上，建立 了新的模型河海模型；杨圣奇等【- 7 】在三元件线性黏性元件并联一个塑性元件，该 元件是一个关于时间的非线性表达式，得到新的非线性本构模型 C F 栅B ； 范庆忠等【】把B u