文摘

为了研究深部软岩的蠕变行为,粗砂岩被选为研究主题,和岩石三轴流变仪(岩石600 - 50),声发射(AE)系统(SH-II)被用来执行级卸载围压蠕变试验在一个高压力水平。试验结果表明,粗砂岩的横向蠕变行为显著高于高围压下的轴向蠕变初始。在相同围压下,蠕变应变率(相同应变方向)的粗砂岩随轴向压力的增加而减小。如图所示的AE数,AE信号生成整个测试过程,表明蠕变是一个“与”的过程。蠕变行为的特点是明显的围压效应。随着围压降低,蠕变程度显著增加。在测试期间,AE能量增加整个但减少在蠕变阶段。在整个测试过程中,总能量的恒定的偏应力级卸围压的高出45%,在恒定轴向压力等级卸货。岩石的破坏程度不同在这两个卸载蠕变测试,和恒定轴向压力级卸围压的需要更大的破坏比常数偏应力卸载围压的年级。的主要原因是,前者较低围压水平和蠕变过程超过后者,和样本特征主要是由蠕变损伤和大型累积损伤,而后者主要是卸荷损伤特性。 Through the inversion of the Burgers constitutive model and nonlinear damage constitutive model for the creep test curve, the nonlinear constitutive equation can better fit the accelerated creep stage, which suggested that this model can describe the accelerated creep characteristics of the high-stress soft rock.

1。介绍

蠕变是岩石的重要力学行为之一(1,2]。随着煤矿活动的深度的增加,岩石的应力附近的道路受到显著增加。在高压力的环境中,岩体中某些根本性的变化如软岩特征,突出的蠕变行为,和流变特性3- - - - - -5]。围岩的变形和破坏巷道开挖期间不会立即发生,但长期和持续的动态过程,岩石试图调整自己的时间和性质。深部巷道周围的岩石受到高三维地应力的影响很长一段时间挖掘和表现为缓慢变形(6]。实际上,与此同时,巷道开挖是岩体的卸荷过程,和应力场的重新分配是由于开挖卸荷;开挖面附近的岩体特征的长期蠕变特性(7]。这是专门为代表的底鼓发生连续和收敛开挖后双方。即使是开挖后进行及时的支持,是不可能阻止围岩变形很长一段时间(8]。大多数研究岩石蠕变测试是基于加载力学,和有更少的研究属于卸货的高压软岩的蠕变测试。因此,研究卸载蠕变的软岩在高压力的环境中是重要的工程意义确定软岩的变形和破坏机理巷道在高压力的环境中,适当的表示围岩加固措施,维护巷道的稳定。

许多学者研究了岩石蠕变使用基于实际工程实验室测试和现场测试。轴向应变与侧向应变的关系在蠕变和卸载的过程中是通过不同路径下的蠕变试验9- - - - - -11]。黄等。12]大理石进行蠕变试验在恒定轴向压力级卸载围压在高压力和获得之间的关系程度的年级卸载失败和偏应力,弹性模量、断裂角,和稳态蠕变时间,测试数据拟合。王等人。13)进行了流变学研究的年级卸围压的泥质粉砂岩在不同压力水平,表明各向异性岩石流变过程,明显高围压下轴流变形;横向变形大于轴向变形在低围压下。在蠕变软岩的膨胀和断裂特征研究了三轴卸围压试验(14,15]。杨et al。16)进行三轴流变研究辉绿岩与不同应力路径和得出的结论是,将会有三个阶段的减速,恒定速度,加速蠕变断裂应力水平下。流变过程主要是恒速蠕变,横向应变大于轴向应变,这是岩石蠕变的扩张的主要原因的过程。徐et al。17)进行了三轴蠕变试验的粉砂质泥岩在不同围压下,揭示了围压对岩石变形和强度的影响,并证明了每个蠕变参数呈正相关,围压和剪切强度和长期强度的岩石往往与围压的增加减少。张先生和傅18)进行了三轴蠕变试验在泥岩在不同围压和得出结论,衰减蠕变阶段增加与轴向压力和偏应力的增加一个指数稳态蠕变和偏应力之间的关系。根据三轴加载年级测试在泥岩(19,20.),在恒定轴向压力下,泥岩的瞬时变形和蠕变变形降低围压的增加,和大变形的初始阶段蠕变是显而易见的。在围压的加载,瞬态应变和轴向应力之间的关系是近似线性的。龚et al。21]AE的变化规律进行了研究b蠕变与时间价值在不同阶段的短期蠕变试验级红色砂岩的装卸和预测岩石蠕变破坏的变化特征b价值。卸货过程中岩石样本,AE事件和能源的不同趋势的不同阶段卸载蠕变(22- - - - - -25]。吴et al。26)进行岩盐的蠕变加载和AE测试,得出的结论是,AE特征参数是直接与蠕变率成正比,和AE的累积变化曲线有相同的趋势在蠕变过程中应变曲线。作者进一步使用AE预测岩盐的内部故障。通过AE-based盐岩石三轴蠕变试验,刘等人。27]认为increase-decrease-increase的AE信号的特点是三个阶段,和AE信号的蠕变应变曲线,这可能反映了应变的发展趋势。江et al。28)获得蠕变过程的AE信号形态AE信号的统计法律砂岩的蠕变试验过程。王等人。29日)获得AE能量的演化规律不同蠕变阶段通过蠕变断裂的岩石AE测试。当岩石被破坏,AE信号会显著增加,AE能量样本损坏时达到了一个更高的价值。三轴卸载蠕变试验,最后阶段的加速蠕变围压三轴蠕变本构模型和相应的参数通过参数识别的优化算法(30.]。Zhang et al。31日)认为,通过卸载坚硬的岩石流变实验,得到了在蠕变过程中变形的特点,提出了一种分数阶非线性蠕变本构模型。目前,有一些研究在AE特征在岩石蠕变过程中,特别是在长期年级AE卸载蠕变。

摘要粗砂岩为研究对象,和情节的恒定轴向压力级卸载和常数偏应力级卸围压,AE系统相结合,采用进行室内年级卸载在高压力的软岩蠕变试验。蠕变变形的特点,不同卸载路径下卸载瞬时变形,声发射计数和能量之间的关系在测试进行了研究。然后,汉堡的参数蠕变模型和非线性模型使倒转的测试数据来确定适当的本构方程,和模型参数和应力水平之间的关系。结果提供了重要理论依据周围岩石的蠕变变形和稳定性评价高压力的道路(隧道)地下工程和丰富理论研究卸荷深部软岩的蠕变力学。

2。材料和方法

2.1。样品制备

粗砂岩作为本研究的试验材料。基于国际岩石力学学会(WASRM)测试协议,岩石样本制成一个圆柱体直径50毫米,高度100毫米。处理样品的两端尽可能平坦,粗糙度是≤0.02毫米。这是自然干。进行超声波测试的示例使用一个声波测试人员。检测到的年代波速度是1992 - 2016 m / s,和平均波速度是2004米/秒;的P波速度是2688 - 2746 m / s,和平均波速是2717 m / s。标准样品如图1和声学检测测试图所示2。

2.2。测试设备

岩石三轴流变仪(岩石600 - 50),在法国,和AE监测系统(传感器高速公路II)被用于测试,如图3。流变仪由轴向压力加载系统、围压加载系统,ENERPAC液压手动泵,智能控制系统和数据采集系统。375 MPa的最大轴向偏应力与围压60 MPa可以应用。传感器高速公路II系统,共同开发的PAC和EPRI的美国,是提供高灵敏度传感器和集成电路放大器/ AE传感器探头;局部放电的检测灵敏度可以达到50个人电脑。传感器固定在仪器。一个AE传感器是分级卸载蠕变试验期间使用。AE的触发阈值设置为40 dB为每个测试,和全波形数据记录的采样率1议员。预触发极时间是1.024毫秒(32]。

2.3。测试计划

在该测试中,两个测试路径,即。,constant axial pressure grade unloading and constant deviatoric stress grade unloading of the confining pressure, were used to carry out the grade unloading creep test. The initial confining pressure of the unloading creep was set at 30 MPa (according to the actual engineering situation, the cooling chamber of a −980 m shaft bottom of a certain mine was taken as the engineering background, and the original ground stress of the surrounding rock chamber was= 30.4 MPa);常规三轴的轴向压力值是70%的力量。根据粗砂岩的三轴压缩试验样本,钢筋混凝土= 130.85 MPa时= 30 MPa,轴向压力设置为91 MPa。三轴压缩试验的曲线如图4。测试过程分为三个阶段:(1)根据静水压力条件下,== 30 MPa应用加载速率的0.05 MPa / s (33,34]。(2)后和是稳定的,= 30 MPa是保持不变的。是应用于预设值加载速率为0.05 MPa / s, AE监测系统是打开同步。(3)蠕变时间是12 h /年级,卸载围压水平4 MPa /年级时,和卸货率为0.05 MPa / s。方案1:保持持续直到样品被损坏。方案2:保持偏应力常数(−不变),增加由相同数量的时候卸载(结束后每个阶段的蠕变围压卸载4 MPa,和卸货率在0.05 MPa / s;与此同时,轴向压力也卸载4 MPa卸货速率为0.05 MPa / s。因此,偏应力保持不变),直到样品被损坏。应力路径中使用这个测试如表所示1和2。

3所示。结果与讨论

3.1。蠕变试验曲线

strain-time曲线得出了两个测试方案的设计品位卸载蠕变试验方案,如图5和6。变形的应变是积极在压缩和消极,以防变形的向外扩张。由实验结果如图所示,横向蠕变行为比轴向蠕变行为更为突出。因此,本文着重于研究横向应变。级蠕变量和卸载瞬态应变数据这两个卸载路径如表所示3。

3.1.1。恒定轴向压力级卸围压

图7显示了蠕变曲线的年级卸载粗砂岩样品在恒定= 91 MPa的初始围压= 30 MPa。在测试的早期阶段,= 30 MPa,样品的蠕变值是7.02×10⁻⁴在12小时内,占菌株总数的18.32%。在蠕变过程中= 26 MPa,蠕变稳定,蠕变值是3.12×10⁻⁴,占菌株总数的8.15%;22 MPa,围压水平的18 MPa,和14 MPa,蠕变变形非常小,蠕变值是1.05×10⁻⁴,1.12×10⁻⁴和1.42×10⁻⁴,占2.74%,2.92%,和3.71%的总应变。这些三个阶段的蠕变变形很小,和好的样本在弹性阶段的完整性。在蠕变阶段= 10 MPa,蠕变变形明显增加,蠕变是7.69×10⁻⁴,占菌株总数的20.08%,横向变形是不同于以前的阶段。在这个时候,因为样品经历最初的高压环境和卸围压过程中,岩石经历了严重的内部损伤,样品的内部承载力减弱随着时间的推移,和样品仍然保留了承载力部分。在下一个等级的围压卸载,粗砂岩的承载力并不足以抵抗轴压的增加,裂缝在样品快速扩张,通过断口表面,形成一个最终显示了样本的失败。

3.1.2。恒定的偏应力级卸围压

如图7的蠕变阶段= 30 MPa,蠕变是1.61×10的价值⁻⁴,占菌株总数的2.89%。这是显示了一个非线性流变硬化阶段硬化现象。的应力状态= 26 MPa和= 22 MPa,蠕变行为是由稳定蠕变,年级蠕变变形为1.4×10⁻⁵和1.15×10⁻⁴,占菌株总数的0.25%和2.07%,分别。蠕变变形非常小,样本可以被认为是在弹性阶段和相对稳定。在= 18 MPa,蠕变是不稳定的,是减速蠕变初始蠕变阶段,其次是统一最终蠕变阶段和加速蠕变阶段。在这个阶段,蠕变值达到最大,为2.226×10⁻³,占菌株总数的40.02%。然后,样本严重受损,但没有发生蠕变破坏的样本。

图7显示了瞬态卸载应变和蠕变应变的变化曲线与两个卸载路径下的围压卸载。如图所示的曲线,最初的高压力水平下,瞬态卸载应变变形变化很大的瞬态卸载围压,压力为1.110×10⁻³和1.180×10⁻³分别在两个方案,第一变形降低,然后增加围压下降。的主要原因是样品的初始裂缝压缩初始高围压下,和“短暂反弹”发生的卸围压。当围压卸载在某种程度上,样品进入弹性阶段。在这个时候,样品内部相对稳定。在瞬态卸荷过程中,样品仍在高围压应力环境中,因此,变形小。当围压降低到一定程度上,新样品出现了裂痕,随着时间发展和扩大,瞬态卸载往往会增加。这表明蠕变不仅取决于时间还在应力水平。蠕变变形和瞬态卸荷变形都有相似的法律;,两人都是大在初始阶段,中间过程,小和大的最后阶段。都显示,变形小的弹性阶段和破坏阶段。

3.2。AE特征在蠕变试验

数据8和9显示strain-time-AE计数曲线当这两个方案进行了测试。粗砂岩变形时,其内部缺陷会在外力的作用下造成破坏。在伤害和失败,能源的一部分在弹性波的形式释放,在岩石材料迅速传播,导致声发射现象。AE数响脉冲的数量在一个测试当AE信号超过阈值。AE数值相对较大的初始蠕变阶段。在这个过程中,瞬态的应用围压和轴向压力对粗砂岩中的微量元素造成损害,并关闭微裂隙围压的作用下。所以,AE信号的初始蠕变阶段。在每个年级的蠕变过程中,随着时间的增加,提供的承载力强水晶单位减少,这是由AE数随着时间的减少。在两个卸载路径下,AE活动示例强劲的初始蠕变阶段,随蠕变的发展。然而,在年级卸货的过程中,每个年级的AE信号从强到弱显示一个下降的趋势。 As the axial pressure and confining pressure were constant at this time, the cracks were inhibited from being damaged continuously, and the confining pressure does work on the internal pores and cracks of the sample. At the instant of unloading of the confining pressure, the stress environment of the gritstone changes suddenly, and the cracks in the sample expand rapidly. However, the small amount of unloading does not cause sample failure but increases the degree of damage of the sample. The law of evolution of the AE count under the two unloading paths shows the change of the internal structure of the gritstone sample during the process from the original state to the macroscopic failure, and the compaction and degree of expansion of the internal cracks can be reflected by the evolution trend of the AE counts.

3.3。AE能量的特点在蠕变实验

AE能量所代表的区域包围下的包络线检测信号波形,而不是具体的能量值AE发布的设备(35,36]。根据相关研究,能量积累的基本参数,可以表明岩石断裂在测试过程37]。通过处理测试数据,AE energy-strain-time-cumulative AE能量曲线,如图10。

根据图10,累计AE能量在整个过程可分为四个主要阶段:瞬态阶段,增加衰减阶段,稳定阶段,次生生长阶段。(1)瞬态增加阶段主要是与初始加载阶段,每个年级的卸载过程的样本的围压;微裂隙的压实特性,第一阶段和第二阶段显示了新裂缝的形成。蠕变过程,AE能量增加在每个年级的围压卸载,这表明蠕变累积损伤效应在岩石上。(2)衰减阶段主要发生在每个年级的蠕变。在初始卸荷阶段,大量的岩石样品的弹性能量被释放了。每个阶段的围压卸载时,岩石样本进入蠕变阶段,轴向压力和围压维持一个相对稳定的状态。在这个时候,只有蠕变导致AE能量变化,只有相对较弱的能量在蠕变过程中被释放。(3)稳定阶段发生在年级中后阶段的蠕变。此时,新老裂缝保持相对平衡,累计AE能量不会增加。其他阶段,除了最后阶段,可能被描述使用类似的法律。(4)次生生长阶段主要发生在最后一个等级的蠕变,随着岩石样本受到初始高压力的环境中,然后经历多个等级的卸货,导致内部损伤的累积。第二个方案是更明显比第一个方案,主要是因为相同数量的轴向压力增加围压卸载期间,在每一个年级。因此,方案2中的岩石在高压力的环境中,显示累积AE能量增加的斜率逐渐在以后的阶段,和能量积累呈正相关,岩石的内部结构的失败。

在最初的高压力的环境中,大量的能量累积的岩石。然而,在高围压下,岩石的能量无法释放的主要断裂之前,和蠕变过程是相对稳定的。能源的一部分被释放在年级卸货期间,这是在蠕变慢。这是主要表现的持久性AE能量和累积AE能量的增加,更重要的是与围压卸载。总之,AE参数的生成具有明显的围压效应下的粗砂岩的蠕变过程常规三轴卸载。

图11显示累计AE能量之间的拟合曲线和围压卸载后围压。如图,在初始蠕变阶段,岩石在高围压应力环境,岩石的能量累积,AE并不活跃,能量释放引起的蠕变过程也小,围压降低,岩石内部的能量被释放,裂纹扩展。围压越小,能量释放就越大。此外,随着围压卸载的,累积AE能量显著增加。一年级的蠕变,两个测试路径下的样本是在相同的应力环境,和AE能量积累几乎没有影响;二年级的蠕变,由于轴向压力的补充方案2中方案1相比,岩石内部损伤的加剧,累积AE能量显示快速增长,能量积累的斜率随围压的降低,直到岩石发生故障。在方案1中,AE能量积累和围压的线性关系,而关系是方案2中立方。线性函数的曲线拟合和立方函数下的测试数据的两个计划很好。的相关系数R²= 0.9954 1和拟合曲线的方案R²2 = 0.9929拟合曲线的方案。高围压对岩石有约束力,由更高的热力学能体现岩石蠕变期间和较小的能量释放,这是较小的能量积累的主要原因在第一等级的蠕变。在二年级和围压,卸载后的轴向压力方案2是比方案1,加速岩石的伤害和失败。能量释放增加,能量积累在每个年级随时间增加。总之,AE参数的变化规律在年级卸载蠕变的高压软岩显示年级卸载蠕变的特点是很大的轴向压力的效果。

3.4。失效模式分析的样本在蠕变试验

图12显示的故障模式中粗砂岩年级卸围压下的蠕变试验两个方案。从宏观来看,粗砂岩样品显示了故障模式的双斜率剪切,样品没有分成三部分,表面形成两大失败。相关研究表明,这两种断裂表面没有形成同步。仔细观察表明,微裂隙较少的故障样本,和其他部分的故障样本基本上是完整的,除了主要的裂纹和断裂表面。在断裂过程中,内部裂纹传播和扩展的联合行动下拉伸变形和楔劈力和剪切的时候年级卸围压,它显示了分裂的联合行动失败和斜剪破坏。在图12 (b),表面出现的主要故障,故障强度弱于前者,这主要是由于围压在失败是大于前者,和围压可以抑制样品失败的集约化发展。样品的失效模式主要是斜剪破坏,和微裂隙出现在样例失败,显示延性失败。的比较这两个显示,从测试获得的破裂角的恒定轴向压力级卸围压的大约60°和恒定的偏应力级卸围压的58°。蠕变过程中岩石的损伤发展过程。的年级卸载围压,样品的应力环境逐渐减少。的累积损伤蠕变过程中被释放的即时卸货,加速裂纹的生成的样本,和失败将进一步深化。同一围压下,方案2中的轴向压力大于,在方案1,也就是说,后者是更强烈的应力环境比前者,颗粒之间的抗压强度降低,裂缝发展和形成失败的表面被加速,失败的角度减少时,终于导致失败,和故障模式比方案1比较简单。

4所示。非线性蠕变模型和参数识别

4.1。建立的流变模型

根据年级卸载蠕变曲线和数据表1两种方案下的蠕变变形显示,不同年级的特点在蠕变过程中断裂应力前水平。因此,一年级的蠕变本构方程在断裂应力水平进行了研究。根据测试数据,在蠕变和蠕变应变率与时间曲线在每个时间计算。图(13日)显示了侧向蠕变速率之间的关系和时间的压力下= 91 MPa和= 10 MPa,图13 (b)显示了侧向蠕变速率和时间之间的关系= 103 MPa和= 18 MPa。

如图13在蠕变过程中,年级前的断裂应力水平下的两个测试路径,显示衰减蠕变过程的初始阶段和稳定和统一的中间阶段的蠕变;在以后的阶段,不同的蠕变行为,与后期的稳定和统一的蠕变在方案1和方案2中加速蠕变。虽然汉堡模型可以适应减速蠕变和蠕变稳定统一的蠕变过程,它不能描述中的应变特征后非线性加速流变过程。王等人。13)建立了一个新的非线性本构方程通过汉堡模型与损伤身体系列描述非线性加速蠕变过程。模型图如图14。

当只有模型的第一部分和第二部分是适用的,该模型是一个经典汉堡蠕变模型,和相应的方程如下: 在哪里和是,第一部分和第二部分的应力值和分别表示元素和粘弹性组件的压力,代表了应变的粘性元素在第二部分。

下面的方程可通过拉普拉斯变换和逆变换:

当两个非线性损伤模型和损伤的因素D适用,方程变成了

以下方程可以通过拉普拉斯变换和逆变换获得上述方程:

在上面的本构方程。”米”、“K”和“D”,分别是麦克斯韦模型和开尔文模型和机械部件的非线性损伤模型, , , ,和的弹性模量和粘度系数是麦克斯韦模型和开尔文模型,第三部分的压力,k反映出蠕变速率的大小反应样品的非线性加速阶段。

4.2。在非线性蠕变模型参数识别

验证非线性流变蠕变模型,非线性卸载蠕变模型被用来验证横向蠕变试验曲线的年级前两个卸载路径下粗砂岩的裂缝。蠕变过程中特定的值的参数是通过求解模型中的参数,该模型与曲线得到的蠕变试验。特定值的参数识别获得的蠕变本构模型如表所示4。数据15- - - - - -17显示恒定轴向压力等级下的汉堡拟合曲线卸围压和最后一个年级蠕变曲线的拟合曲线和非线性蠕变曲线在两个测试路径。

众所周知的人物15- - - - - -17,汉堡模型可以减速蠕变和蠕变稳定,但不能匹配曲线加速蠕变阶段有效地测试;非线性蠕变损伤模型可以令人满意地表达decelerated-stable蠕变阶段和不同阶段decelerated-stable-accelerated蠕变过程,它反映了曲线的非线性特征在每个阶段的蠕变过程。模型的拟合曲线与试验结果是一致的,这表明这个非线性蠕变本构模型是适合这个测试。

5。结论

软岩的蠕变期间受到高应力在年级卸载条件下,横向蠕变是更重要的。蠕变应变和瞬态应变变形降低,然后增加;的蠕变变形常数偏应力级卸围压的快比恒定轴向压力等级的围压卸载。AE信号是活跃在卸货;蠕变阶段发生在卸货完成后,和活动状态的AE数逐渐减少到删减状态。蠕变是一个连续的“与”的过程,表现为明显的围压效应。故障形态如图所示的示例中,两个经验在卸围压、剪切破坏和失败在恒定轴向压力恒定的偏应力下比这更严重。最主要的原因是,前蠕变经历较长的时间和累积损伤大于后者。通过汉堡的曲线拟合模型和非线性本构方程,非线性本构方程能更好地代表了高压级卸载条件下软岩。非线性本构方程的参数使倒转了测试数据,和相关的蠕变参数。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号。51874002,51574006,51974009,5174012,52074006,52004005,51674008),国家重点研究和发展计划(批准号2017 yfc0603003),资金用于科学研究活动的学术和技术领袖安徽省(批准号2018 d187),国家自然科学青年基金(批准号52004006)、人才引进基金(批准号13200013),安徽省重点研究与发展计划项目(批准号201904 a07020010),高校培养优秀人才资助项目(批准号gxbjZD2016051)、安徽科技大学引进人才科研基金项目,学术关键项目(批准号QN2019113),独立研究的国家重点实验室基金矿业响应和灾难预防和控制煤矿深处(安徽科技大学,批准号SKLMRDPC19ZZ012),安徽省自然科学基金(批准号2008085 qe222)。