流固耦合作用下砂岩峰后力学特性试验研究及数值分析

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巷道围岩在复杂地质环境下与一般塑性材料力学特性具有明显不同,在外力作用下,围岩变形达到一定程度时,其稳定性急剧下降,尤其在孔隙水压影响下快速达到峰值应力,然后失稳破坏进入残余阶段,岩石还具有一定的强度但未能满足实际工程强度要求,会导致巷道坍塌造成工程事故。因此,有必要对处于峰后应变软化阶段的岩石力学特性进行研究分析。本文依托国家自然科学基金“深部围岩流固耦合蠕变-突变全过程演化规律研究”,通过试验研究、理论分析和数值分析相结合的方法,应用MTS815.02岩石力学试验系统,对阜新恒大煤矿巷道围岩进行流固耦合作用下的三轴压缩试验,探讨了流固耦合作用下砂岩的力学特性,探究了峰后砂岩的变化规律,得到了峰后弹性模量的数学表达式,并对其进行了数值分析。主要研究工作如下:开展了流固耦合作用下砂岩三轴压缩试验,获得了砂岩的基本力学特性与变形参数,探究了定围压下峰值应力和参与强度随孔隙水压的变形规律,以及定孔隙水压下峰值应力和参与强度随围压的变形规律。修正了有效应力原理,并带入砂岩力学特性中,分析了砂岩有效峰值强度变化规律,探讨了孔隙水压对砂岩有效应力和残余强度的影响,建立了考虑孔隙水压的后继屈服面模型以及广义黏聚力和广义内摩擦角与孔隙水压、应变软化参数的三维曲面。基于莫尔-库伦基本原理,对峰后应变软化阶段作了基本假设,将有效应力原理引入其中,并通过基本初等变换和函数参数的反向求解,导出了砂岩峰后应变软化阶段弹性模量的数学表达式,用FISH语言将所得应变软化模型嵌入FLAC3D中进行数值分析,结果表明:实验曲线和数值模拟曲线比较接近,残余强度基本吻合,基于数值模拟进一步验证了应变软化模型的正确性。
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