白垩系地层冻结软岩的损伤和蠕变特性研究
Study of the Damage and Creep Properties of Frozen Soft Rock of Cretaceous Formation
随着我国西部大开发战略的实施和能源需求的增长,煤矿建设重点也在向西部转移.西部矿区白垩系地层以砂岩和泥岩等为主,强度低、胶结弱,属于软岩.在白垩系地层中进行冻结法凿井时,冻结壁的变形和稳定性直接决定于软岩冻结后的力学性状.通过大量的岩石瞬时和蠕变试验,结合损伤和流变力学理论,建立能反映白垩系地层冻结软岩力学规律的本构模型.本文所做工作如下:对白垩系地层软岩在不同温度下进行三轴压缩试验,获得了瞬时力学参数与温度、围压的关系.在同温下,软岩峰值强度、弹性模量均随围压的增加而提高,而同压下两者则随温度的降低而增大.为正确描述白垩系地层冻结软岩的五阶段应力-应变曲线,假定软岩存在初始损伤,建立损伤恢复变量,获得了裂隙压密段的损伤表达式,认为软岩微元强度符合Weibull概率分布,并考虑到材料损伤部分应力由残余强度承担,建立了冻结软岩的增量型统计损伤本构模型,将模型嵌入ABAQUS有限元程序,对三轴试验进行模拟,验证了模型的正确性.通过不同温度下的三轴蠕变试验结果可知,白垩系地层冻结软岩具有明显的三阶段蠕变性质,且随着温度降低,软岩总蠕变量减少,长期强度升高.利用Mohr-Coulomb屈服准则修正西原模型的黏塑性元件,同时引入改进的Kachanov蠕变损伤律,建立了可描述冻结软岩三阶段蠕变特征的蠕变损伤本构模型.推导了蠕变损伤模型的有限元解析方法,对ABAQUS软件进行二次开发.利用ABAQUS对泊江海子矿井筒开掘进行数值模拟,并获得在不同段高条件下,冻结壁的应力场和位移场分布,确定了井帮最大径向位移与时间的关系,将模拟值与实测值比较,结果一致,证明了本文建立的蠕变损伤本构模型是可靠的,能够为冻结壁设计和施工提供指导.
- 作者：
- 朱杰
- 学位授予单位：
- 安徽理工大学
- 专业名称：
- 地质工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2014年
- 导师姓名：
- 汪仁和；徐颖
- 中图分类号：
- TD313
- 关键词：
- 白垩系地层；冻结软岩；损伤本构模型；蠕变损伤模型
- The Cretaceous Formation；Frozen Soft Rock；Damage ConstitutiveModel；Creep Damage Model