白垩系地层冻结软岩的损伤和蠕变特性研究

【摘要】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；
【导师】汪仁和；徐颖；
【作者基本信息】安徽理工大学，地质工程，2014，博士
【关键词】白垩系地层；冻结软岩；损伤本构模型；蠕变损伤模型；

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