深部软岩温度—应力—化学三场耦合作用下蠕变规律研究

摘要

深部软岩工程是地下工程中的瓶颈工程。深部岩体处于多场耦合的复杂地下环境:高温度、高应力以及化学腐蚀。这些物理化学场耦合作用，使得深部岩石表现出软岩的特性:大变形、强流变特性等特点，深部岩体工程也变得极不稳定，出现难支护等特点，给施工和人员安全造成严重威胁。因此，从岩石蠕变特性方面的研究来看，仅研究单一应力场以及两场耦合是远远不够的。因此，开展温度-应力-化学三场耦合作用下岩体蠕变特性的研究对预测岩体工程稳定性影响研究具有十分重要理论意义和实际工程价值。
　　本文采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法。为了试验的顺利开展，创新地设计出了高温高压三轴环境试验箱，并利用ANSYS有限元分析软件对环境试验箱进行了结构分析，验证了设计的正确性;就温度-应力-化学三场耦合作用下深部岩石蠕变特性研究开展了系统的试验研究，分析了温度-应力-化学三场耦合作用下温度和化学腐蚀对深部岩石蠕变规律的影响效应，探讨了其作用机理;建立了考虑温度和化学pH值影响因素的深部岩石粘弹塑性非线性蠕变方程;建立了深部岩石的T-M-C耦合控制方程;根据实际工程背景，对山东唐口煤矿副井深部巷道进行了温度-应力-化学三场耦合作用下的数值模拟分析。
　　论文的主要研究内容如下:
　　1、根据岩石实际地下环境确定了地下2000m深岩石所处环境参数，并根据材料力学和机械设计理论设计了三轴环境试验箱。利用Pro/E和ANSYS有限元分析软件相结合的方法对三轴环境试验箱进行了有限元分析，验证了设计的合理性。
　　2、开展了不同温度和不同化学pH值条件下的深部页岩蠕变特性的研究，分析了不同温度和不同pH值对深部页岩蠕变特性的影响规律，探讨了页岩的温度和化学pH值作用机理。
　　3、根据试验结果，对粘弹塑性元件组合模型进行了改进，模型的非线性部分是运用半线性元件改进半理论的方法:采用模型理论来描述线性流变部分，采用非线性元件来代替常规的线性元件来描述非线性流变部分，建立了能考虑温度和化学pH值影响因素的深部岩石粘弹塑性非线性蠕变模型。
　　4、以多孔介质力学为基础，建立了受温度场以及化学腐蚀作用影响的岩土介质的T-M-C三场耦合控制方程。提出了由水化学腐蚀孔隙度方程组，热弹性、各向同性热弹性和热弹塑性的三神情况下的岩石静力平衡方程，以及温度控制方程等构成的岩石T-M-C耦合控制方程。
　　5、以工程实例为背景，利用ANSYS有限元软件，对山东唐口煤矿副井深部巷道进行温度-应力-化学耦合作用下的蠕变特性进行数值模拟，分析了温度和化学pH值腐蚀对深部巷道围岩蠕变规律的影响。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源、研究目的和意义

1．2 工程背景

1．3 岩石蠕变特性国内外研究现状

1．3．1 单一应力场作用下岩石蠕变特性研究现状

1．3．2 耦合场作用下岩石蠕变特性研究现状

1．3．3 岩石蠕变本构模型研究

1．4 试验机研究现状简介

1．5 论文的主要研究内容

第二章 高温高压三轴环境试验装置

2．1 试验装置研制思路及特色

2．2 三轴环境试验箱的设计

2．2．1 三轴环境试验箱的参数确定

2．2．2 三轴环境试验箱的工作原理和结构设计

2．2．3 三轴环境试验箱结构有限元分析

2．3 三轴蠕变试验介绍

2．3．1 轴向加载系统

2．4．2 三轴环境试验箱及液压伺服控制系统

2．3．3 力、位移和温度测量系统

2．4 本章小结

第三章 深部页岩蠕变特性的温度-应力-化学三场耦合作用效应试验研究

3．1 试验准备、过程与方法

3．1．1 试验准备

3．1．2 试验过程与方法

3．2 页岩三轴压缩蠕变特性的温度、应力以及化学效应

3．2．1 温度场对页岩蠕变特性的影响效应

3．2．2 化学场对页岩蠕变特性的影响效应

3．3 温度和pH值对页岩蠕变特性影响程度的对比分析

3．4 本章小结

第四章 温度、化学腐蚀作用下页岩非线性粘弹塑性蠕变模型研究

4．1 流变模型的建立方法

4．1．1 线性流变模型的建立方法

4．1．2 非线性流变模型的建立方法

4．2 温度、化学腐蚀作用下页岩蠕变本构模型的研究

4．2．1 建模的基本理论依据

4．2．2 粘弹塑性流变模型的建立

4．3 粘弹性模型参数的确定

4．3．1 粘弹性模型参数确定方法

4．3．2 粘弹塑性模型参数的确定

4．4 本章小结

第五章 深部软岩体温度-应力-化学三场耦合控制理论

5．1 基本假设

5．2 温度-应力-化学三场耦合控制方程组的推导

5．2．1 考虑pH值的地下水化学腐蚀作用下控制方程

5．2．2 岩体变形控制方程

5．2．3 温度控制方程

5．3 本章小结

第六章 深部软岩巷道温度-应力-化学耦合作用下蠕变规律数值模拟

6．1 工程背景

6．2 深部岩体巷道温度-应力-化学耦合作用下蠕变规律数值模拟

6．2．1 深部岩体巷道有限元模型的建立

6．2．2 计算参数的确定

6．2．3 蠕变模型的选取

6．2．4 模拟结果

6．2．5 深部岩体温度-应力-化学耦合作用下时间对巷道围岩稳定性影响分析

6．2．6 温度-应力-化学耦合模拟结果及分析

6．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

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