胶乳水泥作为相似材料模拟软岩蠕变的实验研究

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随着地下浅部资源的逐渐减少枯竭和人类对地下开采强度的不断增大,地下开采开始趋向于深部开采。深部岩体处于复杂力学环境中,其开采导致了一系列的安全问题,比如岩层移动、支架破坏、岩爆等等。因此,研究深部开采过程中的软岩力学问题具有重要的意义。对软岩在一定环境下的蠕变规律进行研究,对于深部开采支护的设计和维护有重要意义。采用胶乳水泥作为相似材料模拟软岩的物理力学特性,特别是模拟软岩蠕变实验,是一种非常有效的的手段。深层软岩的力学特性受深层岩体环境的影响,很难应用实际材料进行模拟,而应用胶乳水泥作为相似材料模拟深部软岩,相对比较容易。该相似材料模型实验分析与有限元数值分析方法对比。探索深层软岩的蠕变特性和流变速率,为地下工程给予指导。通过对软岩进行单轴压缩蠕变实验,得出了软岩弹性模量随着配比的增大而减小,泊松比随配比的增大而增大;软岩蠕变值和蠕变速率随配比的增大而增大的结论。本文选用固含物37%的丁苯胶乳、编号45r的硅酸盐水泥和直径0.2mm左右的细砂制备相似材料,水泥和细砂质量比例固定,通过调节胶乳配比,制作不同配比的试件。对模拟材料的试件进行单轴不断加压的蠕变实验,得到不同胶乳配比下加载全程蠕变-时间曲线,分析其曲线特征,与软岩的蠕变时间曲线定性分析。结合流变的基本力学模型,利用MATLAB对实验数据处理与不同的软岩模型拟合并且对比,得出了胶乳水泥的最佳元件组合力学模型,并用MATLAB对模型进行不同配比下的拟合,得到了模型参数,与目标软岩的试验参数对比进一步验证了实验数据与模型的一致性。利用ANSYS对实验条件下的软岩巷道进行仿真计算,得到了巷道围岩的蠕变规律,进一步与目标软岩的模拟仿真图形比较定性分析,验证了理论计算与实验结论的相符性。
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