文摘

膨胀岩的流变力学行为研究湿度条件下大型岩石工程领域具有重要意义,如深煤矿、隧道、边坡工程。基于Nishihara模型,考虑到湿度因素对膨胀岩的影响,建立了流变元素和湿度对岩石的损伤的影响,介绍了粘度和弹性。此外,粘弹塑性本构方程建立了膨胀岩耦合下的压力和湿度。之后,考虑到湿度对损失的影响,弹性,粘性,爬行,卸货,弛豫方程推导。从这个研究中,在低应力的状态 ,Nishihara模型认为湿度显示了稳定蠕变性能的影响。此外,卸载曲线包含瞬时弹性、弹性后效,粘性流诱导的湿度。然而,在高压力的状态 ,这是一个不稳定蠕变模型。卸载曲线包括瞬时弹性、弹性后效,粘性流诱导应力和湿度。该模型综合反映了膨胀岩的流变特性,可用于岩石流变分析。

1。介绍

研究岩石流变模型是研究的一个重要组成部分岩石流变力学理论。此外,它也是一个热的岩石力学领域的和困难的主题。目前,岩石的流变模型主要有经验模型、组件组成模型和损伤与断裂的流变模型。有大量的研究在这个领域。例如,徐和夏1)使用对数经验公式符合爬行花岗岩的测试结果。Zhang et al。2)辉长岩的岩石进行单轴压缩蠕变试验;他们提到的关于爬行的经验公式法。Zhang et al。3)使用老化理论和幂函数为泥岩的非线性蠕变方程。基于传统的线性粘弹性模型、金和Kui-ying [4提到了非线性粘弹性模型。立(5)使用蠕动的身体和断裂塑性体;这两种非线性组件发现了一个新的复杂的流变模型来描述软岩。根据岩石的蠕变试验结果,Zhi-chun et al。6和Xie-xing和陈7]指出了蠕变模量参数和损伤岩石蠕变方程可以描述损伤的历史。Yan-yi [8]研究了裂隙岩石的损伤流变断裂的过程;然后,他提到了延迟裂纹萌生和扩展的法律和不稳定常数加载下岩石关节;他建立了裂隙岩石的损伤演化方程和损伤演化的粘弹塑性本构方程耦合。关等。9)提供一个新的流变模型和应用山隧道。张、杨(10卸货)提出了一个非线性流变本构模型基于分数阶导数。赵et al。11]研究了石灰石的蠕变特性下卸货三轴蠕变试验。Nedjar和罗伊12)提出了一个蠕变力学模型可以描述花岗岩与不同温度下的蠕变过程。Brotons et al。13]研究了石灰石的力学特性在一个96小时的单轴压缩蠕变试验,提出了一个神学模型和蠕变函数来研究岩石的蠕变行为依赖于时间。曹et al。14)定义了一个新的高压软岩非线性损伤蠕变本构模型与改进的汉堡模型中,胡克模型,和圣维南模型基于非线性损伤蠕变特征的岩石和损伤变量。陆et al。15)提出了一种时间模型来模拟蠕变老化损坏,变形和脆性岩石的断裂行为。Firme et al。16]研究软岩的弹塑性蠕变特性,提供了一个准确的解释。Fahimifar et al。17)修改粘塑性的模型占岩石的蠕变变形与广泛的压力水平和实现模型在数值有限差分代码(FLAC)。Bazhin和Murashkin18)研究了材料的蠕变和应力松弛特征与装卸条件下静水压力,建立了非线性流变模型。

基于Nishihara模型组件组合模型,介绍了流变组件,考虑湿度扩张效应,建立了膨胀岩粘弹性模型,考虑湿度、破坏,粘度。本文的研究结果是一个有用的理论研究岩石工程的补充。

2。自由膨胀实验的岩石

的岩石样本来自一个煤矿的屋顶是泥岩,这将扩大但不能分解的干密度是2.74克/厘米³。

形成的岩石样本为一个矩形的长度,宽度,高度为5,5、10厘米。处理过的样品应该24小时加热到105°C的烤箱去除水完全;然后,岩石的含水量是0。在这项实验中,长度由游标卡尺测试的范围是13.5厘米,精度为0.02毫米;高度是由电子天平测试JM10002的范围是1000 g和精度是0.01克。把干燥的岩石样本,投入一个干燥器冷却,然后测量和记录长度(x),宽度(y)、高(z)和质量(米干燥的样品。躺干燥样品的测试区域,测量它的长度,宽度,高度由多个测量方法获得的平均价值。

扩大实验处理环境中的20°C。将样品放入水和确保它完全浸泡和扩大自由;然后,取出样品在一个区间,干燥的表面吸水纸,和测量数据:长度,宽度,高度,和质量。标准来判断样本是否被水饱和岩石的质量增加小于0.1 g / h。

记录每个时间点的实验数据;膨胀应变和含水量的结果如表所示1:

3所示。扩张压力和含水量之间的关系

在[19- - - - - -21),显示湿度应力场的概念,重点的湿度扩散膨胀岩的耦合与含水量的关系,吸水力,和体积变形。让岩土扩大自由,它将带来一个应变组件如下:

公式中,是线性膨胀系数,克罗内克的象征,湿度变化的价值。

图1显示了膨胀应变和体积含水量之间的关系和大量的石灰泥岩含水量在3个方向的长度,宽度和高度。

从图1我们知道自由膨胀应变与体积含水量和适当的线性关系质量含水量的岩石样品在3个方向的长度,宽度和高度,其结果是适合湿度应力场概念(19- - - - - -21]。我们发现体积含水量的膨胀系数为0.01421,0.01603,和0.01782和质量含水量为0.03852,0.04345,和0.04831,分别在三个方向的长度,宽度,高度通过函数拟合。

实验岩石样品的各向异性会导致膨胀系数的差异在三个方向的长度,宽度,高度,但数据的差异很小,因此可以将岩石样本近似各向同性岩体。所以,自由膨胀应变之间的关系和石灰泥岩含水量可以如下所示:

公式中,和 ,分别显示质量内容和体积含水量和水和显示相应的膨胀系数。

4所示。本构模型

传统的流变模型的基本组件只考虑负荷的影响;然而,湿度的影响因素也有明显的肿胀岩石对机械性能的影响。考虑湿度的影响因素,结合湿度应力场理论,以下假设已经提到(表2)。

胡克Nishihara模型系列连接的模型,开尔文模型和理想的粘塑性的模型。本文基于Nishihara模型,介绍了湿度影响;然后,如图2Nishihara模型,考虑湿度的影响,被发现。

humidity-stress的耦合下,应力-应变关系在这个模型可以如下所示:

在这些公式, ,

在这些公式,σ是这个模型的总应力;ε是这个模型的总应变;Δ是两个国家之间的湿度变化量;σ₂和ε₂总应力和总应变的开尔文模型,分别;σ₃和ε₃总应力和总应变是在理想的粘塑性的模型中,分别;σ₁,E₁,ε₁,α₁应力、弹性模量、压力,和妓女的湿膨胀系数模型分别;σ_{2 e},E₂,ε_{2 e},α₂应力、弹性模量、压力,和湿膨胀系数开尔文模型,分别;σ_2η,ε_2η,η₂( )粘性模型的应力、应变,开尔文模型和湿粘性系数,分别;σ_3η,ε_3η,η₃( )粘性模型的应力、应变,和理想的粘塑性的湿粘性系数模型,分别;σ_{3 p},ε_{3 p},σ_{3 s}弹性组件的应力,应变,和理想的粘塑性的模型的屈服极限,分别。

在低压力的状态 ,理想的粘塑性的模型没有影响和模型广义开尔文模型,如图3。

在图2, , ,和 。

胡克的模型, 和 。

开尔文模型, 。

因此, 。

然后,本构方程,考虑湿度的影响弹性,可以推导出:

高压力的状态下 ,如图1这个模型有三个组件。此外,本构方程可以推导出类似的过程:

湿度和湿度对岩石的蠕变特性产生明显影响。一般来说,岩石强度与湿度的增加将减少;然而,岩石蠕变的速度将会增加。根据(22),粘度系数与湿度的增加将减少;此外,它几乎是线性变化。如果和被假定为相应的粘度衰减系数, 和 。然后,本构关系

大量的实验发现,膨胀岩的性质将减少与水接触后;此外,弹性模量也会随着湿度的增加下降(23]。因此,引入两个损伤因素(和 )胡克元素 和 ,和本构方程

4.1。蠕变方程

假设岩石吸水后的湿度是恒定的;然后, 。

在低压力的状态 ,它有一个固定的值, 。然后,模型是广义开尔文模型。胡克的模型,当 ,然后 。开尔文模型, ;然后, ;在这个方程,一个是积分常数。当t= 0, ;然后, 。蠕变方程是

当t趋于无穷时, 水平渐近线的蠕变方程,该模型是稳定的。

在高压力的状态 ,岩石塑性变形。胡克的模型, 。开尔文模型, 。对于理想的粘塑性的模型, 。蠕变方程是

该模型将成为更大的随着时间的推移;压力将逐渐减少;该模型将面临不稳定蠕变和蠕变最后会不稳定。

蠕变方程考虑了湿度对弹性和粘度的影响如下:

蠕变方程考虑湿度对弹性的影响,伤害,和粘度如下:

4.2。卸载方程

在低压力的状态 ,卸货的时候 ,压力为零。胡克的模型, 。

开尔文模型, ;然后, 。在这个方程,B是积分常数。一个的时间 , ;然后, 。卸载方程

当t倾向于无限, 。因此,由于湿度的影响,模型的变形不恢复到零:

在高压力的状态 ,胡克的模型, 。开尔文模型, 。对于理想的粘塑性的模型,该模型仍在卸载后,应变 ,变形是永恒的塑性变形。卸载方程

当t倾向于无限, 。

考虑到湿度的影响弹性和粘度,卸载方程如下:

在这个方程, 。

考虑到湿度对弹性的影响,伤害,和粘度,卸载方程如下:

在这个方程, 。

4.3。弛豫方程

在低压力的状态 和 。也就是说, 。然后, ,介绍 和 到它;然后, :

在高压力的状态 ,对于理想的粘塑性的模型,松弛变形ε=ε₀( )。也就是说,当t= 0,σ=σ_年代和 ;然后,放松Nishihara模型的方程如下:

下面是松弛方程考虑湿度对弹性和粘度的影响:

下面是松弛方程考虑湿度对弹性的影响,伤害,和粘度。

数据4和5显示模型的蠕变曲线和卸载曲线两种状态下的压力,分别。蠕变曲线1和卸载曲线表明,湿度的影响仅考虑弹性。蠕变曲线和卸载曲线2表示湿度的影响弹性和粘度有关。蠕变曲线3和卸载曲线表明,湿度对弹性的影响,伤害,和粘度被认为是。

数据显示4和5在三种情况下,当 ,模型有一个相对快速初变形;后来,逐渐趋于稳定。卸载曲线的基础上,模型的瞬时弹性变形、弹性后效,粘性流引起的湿度。在的情况 ,它转移到不稳定的缓慢。根据卸载曲线,瞬时弹性变形,弹性效应后,和粘性流引起的湿度和压力。这个模型表明两种蠕变状态下许多岩石的湿度的影响。

从这两条曲线,湿度对损伤的影响,弹性和粘度是引入这个模型。它可以全面显示岩石的流变特性。随着湿度的增加,粘度和岩石的强度将降低;然而,损伤和塑料将会增加。因此,它将导致较大的蠕变变形。本文中的模型可以描述岩石的流变特性对湿度的变化很敏感。

5。结论

(1)扩张压力成正比的质量或体积含水率(2)建立新的Nishihara模型通过引入湿度提高组件的影响(3)本构方程、蠕变方程和卸载方程考虑损伤和粘度系数的变化,湿度的影响(4)在低应力状态下,模型显示稳定蠕变;然而,当它在高压力的情况下,模型表达不稳定的缓慢(5)弹性变形、弹性后效和粘性流发生在卸载曲线

问题:论文只有定性的模型显示了膨胀岩的流变特性影响下的湿度和理论上humidity-relative参数。应遵循相关实验和现场试验验证。

数据可用性

所有的数据用来支持这个研究的发现可从requset通讯作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文得到了优先级的学术程序开发江苏高等教育机构和基础研究基金为中央大学(2017 xkqy044)。