论文推荐｜刘泉声等：软岩现场流变试验及非线性分数阶蠕变模型

作 者

刘泉声 1,2,罗慈友1,3,彭星新4,刘 鹤1,3,陈 磊1,3,潘玉丛2

作者单位

1. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室 2. 武汉大学岩土与结构工程安全湖北重点实验室 3. 中国科学院大学 4. 中铁十一局集团第四工程有限公司

研究背景

随着浅部资源的逐渐枯竭,矿产资源开采深度逐年增加。随着开采深度的增加,软岩矿井的数量不断增大,软岩相关的工程问题也不断加剧,其中因软岩的流变导致的工程稳定性问题日益凸显,有必要对软弱岩体的流变特性展开深入的研究。

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摘 要

软弱岩体的流变力学特性研究对于保证矿井软岩巷道围岩的稳定性具有重要的意义,有必要进行软弱岩体的现场流变试验及其本构模型的研究工作。

首先进行了煤矿软岩巷道底板大体积软弱岩体的现场分级加载压缩蠕变试验,其后引入分数阶微积分理论,采用Abel 黏壶元件替代传统Burgers 流变模型中的粘弹性体(即Kelvin 体),并基于现场岩体流变试验结果中岩体试样在加速蠕变阶段的变形特征,在改进后的Burgers 模型上串联上非线性黏塑性体(即NAVPB),建立了现场软弱岩体的非线性分数阶蠕变模型,最后基于岩体试样的流变试验数据,进行了非线性分数阶蠕变模型和Burger 模型的参数拟合与对比分析。

软弱岩体现场流变试验结果表明:岩体试样是否发生加速蠕变与加载的应力水平有关,其蠕变存在加速蠕变应力阈值,应力不大于该阈值时,岩体试样蠕变只发生衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,且稳定蠕变阶段变形速率不为零;应力大于该阈值时,岩体试样经历完整的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3 阶段并最终发生破坏,且存在加速蠕变启动时间点。

模型参数拟合及对比结果表明:提出的软弱岩体非线性分数阶蠕变模型结构较为简单,相较于Burgers 模型,能较好地描述现场软弱岩体包括加速蠕变阶段在内的全阶段蠕变特征。

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文中部分图片

图1 岩体试样及试验基坑示意

图2 试验现场安装

图3 试样单轴流变全程曲线

图4 岩体试样各级应力蠕变和蠕变速率曲线

图6 非线性分数阶蠕变模型示意

来源：

刘泉声,罗慈友,彭星新,等. 软岩现场流变试验及非线性分数阶蠕变模型[J]. 煤炭学报,2020,45(4):1348- 1356.

LIU Quansheng,LUO Ciyou,PENG Xingxin,et al. Research on field rheological test and nonlinear fractional derivative creep model of weak rock mass[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(4):1348-1356.

责任编辑：常琛编辑整理：刘旸审 核：常琛

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