膠乳水泥模擬軟巖蠕變行為的研究.pdf

1、復雜地質條件下深部軟巖蠕變規(guī)律及其破壞機理的研究是地下工程的開展和深部圍巖的支護等實際問題有深遠的意義。隨著地下工程和礦產(chǎn)開采不斷向更深部發(fā)展，淺層巖石蠕變理論和相關經(jīng)驗已不能滿足生產(chǎn)實際的需要。深部軟巖面臨的環(huán)境更加復雜，高溫、復雜應力場、多介質等因素均影響其蠕變行為，蠕變試驗開展難度大且時間周期長，影響蠕變的參數(shù)難以確定。相似試驗為地下巖土工程的研究提供了一個新的方法，利用模型試驗的方式對軟巖蠕變行為進行模擬，可以迅速、經(jīng)濟的確定影

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。以相似準則為依據(jù)進行的模型試驗，可以通過原型和相似材料的蠕變試驗力學參數(shù)，建立兩者之間的規(guī)律性。首先通過調整不同配比的膠乳水泥進行試驗，并將模型試驗結果與原型的試驗參數(shù)比對，確定適合的相似材料;繼而進行相似材料的蠕變試驗反推軟巖的蠕變規(guī)律和破壞機理。
　　課題以國家自然科學基金“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

3、行研究。通過對軟巖相似模型試驗所遵循的相似準則推導確立了相似試驗的相似指標，并以此為理論依據(jù)指導相似材料的配比和相似試驗的開展。以丁苯膠乳為膠結劑的膠乳水泥配制相似材料，通過相關力學試驗確定適合模擬軟巖蠕變特性的配比，確定相似材料的養(yǎng)護方式和試驗方法;通過動態(tài)力學頻譜試驗研究了溫度對蠕變行為的影響;通過電鏡試驗對軟巖及相似材料蠕變的微觀形貌及破壞發(fā)生的微觀特征進行研究;確定了軟巖溫度-應力條件下的蠕變模型并對原型和模型的參數(shù)進行擬合;結

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

5、獲得的相似判據(jù)進行研究，確定相似試驗所需要依賴的物理參量之間的相互關系，研究了溫度、時間、應力及密度等相似性對相似試驗開展可能造成的影響。該相似準則對相似材料的選取和配比的確定、相似試驗的開展起指導意義，并對相似試驗的結果進行驗證;
　　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、的配比及制作過程中的養(yǎng)護、試驗條件;針對軟巖相似材料的特點及標準試樣的要求，設計了適合相似材料的專用模具及裝置，包括可調整機架及獨立模具，能夠較好的對試樣進行密實并頂出試樣。模具一體成型無接縫，克服了對開?？赡軐υ嚇釉斐傻哪＞邔硬粐烂?、難以壓實等不良影響。模具及裝置保證了制作相似材料的標準試樣的尺寸精確度，提高了試樣制作效率;
　　3.開展相似試驗。研究頁巖的基本力學性能及蠕變特征，并利用掃描電鏡對軟巖斷口進行觀測，從微觀結構分

7、析軟巖的蠕變破壞機理;利用時溫等效理論推導了不同溫度下軟巖試驗的時間-蠕變關系和溫度-蠕變關系。對不同含砂量的丁苯膠乳水泥進行了單軸蠕變試驗，并利用動態(tài)力學頻譜儀對不同溫度、不同配比的材料進行蠕變試驗，研究了含砂量和溫度對蠕變曲線的影響，通過對比確定了以水泥∶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;同時證明了膠乳水泥具有較高

8、的溫敏性，含砂量過大時，膠乳水泥的抗壓強度反而下降。電鏡試驗也表明，膠乳水泥和軟巖在微觀結構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)律的基礎上，推導了Burgers模型的本構方程和蠕變方程，利用Oringin軟件對試驗參數(shù)進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，并建立了同一應力條件下任意溫度下軟巖的蠕變柔量表達式。
　　5.利用FLAC軟件