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冻结红砂岩非线性蠕变模型的研究_单仁亮

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冻结黏土力学特性分析及改进S-M蠕变模型

冻结黏土力学特性分析及改进S-M蠕变模型

冻结黏土力学特性分析及改进S-M蠕变模型郭梦圆;姚兆明;李梦洁;陈军浩【期刊名称】《力学与实践》【年(卷),期】2018(40)6【摘要】为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线.实验结果表明:冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大.单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化.改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性.改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法.【总页数】8页(P653-660)【作者】郭梦圆;姚兆明;李梦洁;陈军浩【作者单位】安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001;淮南职业技术学院工程管理系,安徽淮南 232001;福建工程学院土木工程学院,福州 350118【正文语种】中文【中图分类】TU43【相关文献】1.人工冻结黏土导热系数的非线性模型预测分析及工程应用 [J], 苏丹阳;姚传勤;周艳2.考虑温度效应的冻结黏土内变量蠕变模型分析 [J], 姚兆明;张雯;郭梦圆3.冻结黏土开尔文与伯格斯蠕变模型分析 [J], 吴晓云;刘爽4.温度效应冻结黏土开尔文蠕变模型分析 [J], 吴晓云5.冻结黏土单轴力学性能试验及蠕变模型研究 [J], 陈雨漫;林斌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

岩石流变的一种非线性黏弹塑性流变模型研究

岩石流变的一种非线性黏弹塑性流变模型研究

岩石流变的一种非线性黏弹塑性流变模型研究张英【摘要】将黏滞系数视为非定常量,建立黏滞系数的非线性函数关系,提出一种能描述岩石蠕变全过程的非线性流变力学模型,且在一定条件下模型可蜕变为Burgers 模型或西原正夫模型.推导了岩石在常应力和常应变条件下的流变方程;研究了岩石的非线性蠕变特性和松弛特性.对不同应力条件下的岩石蠕变试验结果进行拟合,并将本文的非线性岩石流变力学模型与试验结果进行比较.结果表明,试验曲线与理论曲线较吻合,从而证明了本模型的正确性与合理性.【期刊名称】《湖南工业大学学报》【年(卷),期】2015(029)003【总页数】5页(P10-14)【关键词】非线性流变模型;流变特性;弹黏塑性【作者】张英【作者单位】重庆地质矿产研究院外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室,重庆400042;煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心,重庆400042【正文语种】中文【中图分类】TU451在外部环境作用下，岩石类材料的应力应变表现出随时间变化而发生变化的现象称为流变。

作为常用的工程材料，岩石的流变力学特性对工程应用影响深远。

工程实例和理论分析表明，岩土工程的变形破坏与时间有密不可分的关系。

流变模型是流变力学理论的研究基础，但由于实际试验条件的限制，岩石流变力学模型研究并不深入，特别是非线性流变力学模型的研究至今尚未有统一共识。

目前对衰减蠕变和稳态蠕变的认识较成熟，多种力学模型如广义凯尔文模型、Burgers模型等，都能较好地描述岩体衰减蠕变和稳态蠕变，而不能对岩体加速蠕变进行准确描述。

关于非线性流变力学模型的研究，人们常对线性流变元件进行改进，通过非线性函数的流变元件来建立非线性流变力学模型，或者基于损伤力学理论、内时理论等新的理论建立流变力学模型。

孙钧[1-2]将黏滞系数视为变量，表示为应力与持续时间的函数。

陈沅江等[3]建立2种非线性元件，并将它们和开尔文体及虎克体相结合，得到了一种新的可较好描述软岩加速蠕变特性的复合流变力学模型。

爆破作用下冻结岩壁损伤评价的模型试验研究

爆破作用下冻结岩壁损伤评价的模型试验研究

爆破作用下冻结岩壁损伤评价的模型试验研究
作者：单仁亮， 宋立伟， 白瑶， 宋永威， 李仲力， 魏龙飞， 曹建洋， SHAN Renliang， SONG Liwei，BAI Yao， SONG Yongwei， LI Zhongli， WEI Longfei， CAO Jianyang
作者单位：单仁亮,SHAN Renliang(中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083)， 宋立伟,SONG Liwei(中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京
100083;中冶天工集团有限公司,天津300308)， 白瑶,宋永威,李仲力,魏龙飞,曹建洋,BAI Yao,SONG
Yongwei,LI Zhongli,WEI Longfei,CAO Jianyang(中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京,100083)
刊名：
岩石力学与工程学报
英文刊名：Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
年，卷(期)：2014,33(10)
引用本文格式：单仁亮.宋立伟.白瑶.宋永威.李仲力.魏龙飞.曹建洋.SHAN Renliang.SONG Liwei.BAI Yao.SONG Yongwei.LI Zhongli.WEI Longfei.CAO Jianyang爆破作用下冻结岩壁损伤评价的模型试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2014(10)。

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究余云燕;杜乾中;罗崇亮;丁小刚;李永鹏
【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(55)4
【摘要】为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。

基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。

研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。

【总页数】11页(P1654-1664)
【作者】余云燕;杜乾中;罗崇亮;丁小刚;李永鹏
【作者单位】兰州交通大学土木工程学院;甘南藏族自治州交通运输局
【正文语种】中文
【中图分类】TU446
【相关文献】
1.含分数阶导数元件非线性蠕变模型的二次开发
2.锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型
3.饱水-失水循环条件下红层泥岩蠕变特性及本构模型研究
4.黏土蠕变非线性特性及其分数阶导数蠕变模型
5.红层泥岩剪切蠕变特性及非定常本构模型研究
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高围压条件下低温砂岩的力学试验研究

高围压条件下低温砂岩的力学试验研究

2016年第12期【摘要】随着国家对西部地区的开发建设，高寒地区的基础建设得到前所未有的发展。

中低温条件下的砂岩的力学特性对工程的建设有着重要意义。

本文以雅康高速二郎山冻融段为背景，现场取样砂岩，进行了高围压（８０ＭＰａ）不同温度条件（－４０℃，－２０℃，１３０℃，２００℃）下的三轴压缩试验。

分别从温度对砂岩的峰值强度、破坏面形式、弹性模量、抗压强度、泊松比等方面进行讨论，对砂岩的破坏机理进行分析，为高围压低温条件下砂岩的力学特性提供借鉴意义。

【关键词】砂岩；高围压；三轴压缩试验；低温一、引言随着国家对西部地区的开发建设越来越多，高寒地区的工程建设也得到巨大的发展［１］。

冻土是指，温度在０℃或处于０℃以下，含有冰的土壤或者是岩石。

二郎山隧道位于四川省雅安市和甘孜州交界的二郎山，它起于天全县龙胆溪川藏线，止于泸定县别托山川藏公路，其中，二郎山隧道４１７６米，洞口海拔２２００米，是川藏线改造咽喉工程。

该地区砂岩常年处于高围压和低温条件下，所以对于高围压条件下中低温砂岩的力学试验研究很有意义。

杨更社等［２］对三向应力条件下冻结岩石力学特性进行了研究，得出岩石冻结时矿物收缩和冰本身的强度及冻胀压力使得岩石峰值强度得到提高。

李鹏等［３］认为红砂岩在低温、低水压、高围压条件下的断裂轨迹呈横向断裂，但并未对其力学特性进行探讨。

单仁亮等［４］得出了温度是影响弹性模量的主要因素，泊松比受温度影响较小。

二、试验方案试验中所采用的新鲜完整砂岩试件是二郎山隧道段现场采集的，试件为圆柱体，尺寸为直径Φ×高度Ｈ＝５０ｍｍ×１００ｍｍ。

室内三轴压缩试验是在岩石力学试验机上完成的。

试验方法是将制备好的试样放置在试验机上，同时在上下两端各加一个直径与试件断面相同的刚性对中垫块，然后以恒定的位移速率沿轴向施加荷载，直至试件破坏，试验采用量程２０００ｋＮ的压力传感器测试轴向荷载，采用量程２００ｍｍ的位移传感器测试位移，还配有一组更加敏感的用于测试试件轴向与径向变形的传感器。

冻结裂隙砂岩的力学特性研究

冻结裂隙砂岩的力学特性研究

修改稿返回日期：2020-01-06 基金项目：国家自然科学基金（51704142）. 作者简介：岳 鹏（1976-），男，高级工程师，主要从事隧道工程领域的研究工作，E-mail：2528001147@.
第 58 卷第 3 期 (总第 398 期) , 2021 年 6 月出版 163
-15
23.26 27.43 31.48 41.65
表 4 冻结 30°倾角裂隙砂岩强度
Table 4 Strength of frozen fractured sandstone with 30°
dip angle
温度
极限强度/MPa
（/ ℃）
0
2
4
8
-5
12.58 16.12 20.23 24.83
frozen sandstone with 30° dip angle
温度（/ ℃） 拟合方程 内摩擦角（/ °） 粘聚力/MPa
-5 y= 1.36x+12.15
8.77
5.22
-10 y = 1.43x+15.01
10.19
6.28
-15 y= 1.29x+17.06
7.47
7.48
表 10 45°倾角裂隙冻结砂岩内摩擦角和粘聚力
Vol.58, No.3 (Total No.398), Jun.2021
现代隧道技术
MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY
冻结裂隙砂岩的力学特性研究
图 1 加工试样 Fig.1 Processing samples
表 1 冻结无裂隙砂岩强度
Table 1 Strength of frozen fracture-free sandstone

循环荷载作用下冻融红砂岩力学参数探讨


加 - 卸载试验后，其动应力与动应变的波形线在时间上并不完全 对应，宏观上表为一个环，一般称之为塑形滞回环 [6（] 见图 3）。
图 1 RMT-150B 岩石力学试验机
其动弹模量 Ed、阻尼比 λ 定义为 ：
的影响。 刘杰 [11，12] 采用不会造成较大损伤的低应力水平加 - 卸载测
试方法，有效降低试验所需岩样个数，无需岩样的离散型而进行
验机和冻融试验箱对经历不同冻融次数后的红砂岩进行单轴压 筛选，探讨了冻融周期、不同应力上下限等与岩样各无论特性的
缩试验及单轴循环加卸载试验，研究了峰值强度、弹性模量、泊 松比及峰值应变等与冻融循环次数的关系。徐嘉豪 [4] 以损伤力
对处于高寒地区下的工程建设及矿产资源的开发过程中，
单仁亮等 [5] 对冻结红砂岩在不同围压和不同温度下进行常
如寒区隧道施工、涵洞建设、石油和天然气开采、煤矿开发以及 冻结法凿井等都会遇到很多寒区岩土工程问题。且在地下工程 建设及矿产资源开发中又经常遇到循环加、卸载荷作用，如地下
规三轴试验，探讨围压和温度对泊松比、强度、粘聚力、内摩擦 角、切线模量等的影响。刘建锋 [6] 采用单轴循环加卸载测试岩石 阻尼参数。杜海民等 [7] 对相同温度、相同应变率、不同含水率和
硐室的开挖与支护、地震作用等。因此研究冻融岩石在循环加卸 围压条件下的高含冰冻结粉质砂土进行三轴循环加、卸载试验 ,
载作用下的力学特性对工程实际具有一定的参考价值。 国内外许多学者对循环荷载作用下岩石的强度特征与弹性
对高含冰量冻结粉质砂土的能量耗散与剪切模量特性进行了研 究。单仁亮、王建国、杨阳等 [8-10] 对冻结岩样进行 SHPB 单轴或
加卸载、SHPB 冲击荷载等进行研究，取得了显著的成果。而对

基于三轴蠕变试验砂岩非线性蠕变模型研究

基于三轴蠕变试验砂岩非线性蠕变模型研究朱昌星;黄增慧;韩宪军【摘要】针对观音堂煤矿2506工作面顶板坚硬砂岩三轴蠕变试验结果,引入能反映蠕变加速阶段的多项式元件,通过其与鲍埃丁模型串联,建立了新的坚硬砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型,它能用统一数学表达式描述轴向、横向蠕变全过程.利用砂岩15 MPa围压下轴向分级加载蠕变试验数据,对建立的蠕变模型进行参数反演,获得了该模型蠕变参数.通过对砂岩三轴蠕变试验曲线拟合,验证了本文提出非线性蠕变模型的正确性及合理性.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(034)004【总页数】4页(P468-471)【关键词】砂岩;蠕变;多项式元件;非线性蠕变模型;参数反演【作者】朱昌星;黄增慧;韩宪军【作者单位】河南理工大学深部矿井建设重点实验室,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;山西沙曲煤矿,山西柳林033300;河南理工大学深部矿井建设重点实验室,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TD872+9E-mail：***********.cn随着矿井开采深度不断增加，许多矿井都先后进入千米以下，部分硬岩巷道呈现出不同程度蠕变特征，如巷道大变形等，严重影响矿井安全生产。

软岩由于具有明显的蠕变特性，其研究成果颇多[1-3]。

在软岩蠕变模型研究成果中，元件蠕变模型由于概念简单、易编程，一直深受科研人员青睐，但传统的线性蠕变元件模型无法解释蠕变加速破坏，需引入非线性蠕变元件或损伤变量描述[4-6]。

坚硬岩石在矿井深部开挖中表现出明显蠕变现象，这引起科研人员兴趣，如姜兴东等对砂岩单轴蠕变进行研究时发现，当加载应力远小于屈服应力时，曲线只出现初始蠕变、等速蠕变阶段，试件没有破坏；当加载应力大于或小于但接近于屈服应力时，曲线出现蠕变三阶段，且加速蠕变过程中轴向方向出现3条裂纹，且裂纹相互扩展贯通，最终破坏，这说明加速蠕变应力门槛是岩石产生极非稳定型蠕变的一个临界值[8]。

冻结红层软岩的蠕变特性研究


Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｒ ｅ ｅ ｐ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｄ —ｂ ｅ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｒ ｏ ｃ ｋ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｒ ｔ ｉ ａ ｒ ｙ ａ ｔ ｌ ｏ ｗ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ．
ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｅ ｔ ｉ ｍ ｅ， ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｉ ｎ ｇ
，
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ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ． Ａｔ
ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ａ ｎｅ ｏ ｕ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｒ ｅ ｅ ｐ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ０ ｆ ｔ Ｉ ・ ｏ ｃ ｋ ｄ ｅ ．
摘
要： 为研 究第 三 系红 层软 岩在低 温 下的蠕 变特 性 ， 对 冻 结 红层 进行 单 轴 蠕 变试 验 ， 试验 结
果表 明 ， 在 应 力水 平较低 时 ， 软 岩 只存在 衰减 蠕 变 ， 随 着应 力水平 的增 大 ， 当超过 流 变长期 强度 时， 出现 了非稳 定蠕 变 ； 同时， 随着 温度 的降低 ， 软 岩 的 瞬 时应 变量 和蠕 变量 都会 明显减 少 ， 而
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ， Ａ ｎ ｈ ｕ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ， ｇ Ｈ ｕ ａ ｉ ｎ ａ ｎ Ａ ｎ ｈ ｕ ｉ ２ ３ ２ ０ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；

单仁亮教授简介

２０１５年第 ３期
煤 矿支 护
中国煤炭工业协会煤矿支护专业委员会专家委员会成员
单 仁６４年 生 ，江 苏 大 丰 人 。现 任 中 国 矿 业 大 学 （北 京 ）力学 与建 筑 工程学 院院长 、教 授 、博 士 生导 师 。兼 任 中 国岩 石 力学 与工程 学会 岩 石动 力学 专业 委员 会 副 主任 委 员 ，岩 石破 碎 专业 委 员会 副 主任委 员 ，工程 安全 与 防护 分 会 常务 理 事 ，中国煤 炭 工业 协会 支护 专业 委员 会特 邀专 家 ，北 京 市危 险性 较 大 工程 组 长级评 审专 家 ；兼任 全 国顶 级杂 志 “中国岩 石力 学 与 工程 学 报 ”、 “爆炸 与 冲击” 编委 ，兼 任行 业杂 志 “煤矿 支 护” 编委 。
作 为特邀 专家 参 与井工 煤矿 爆破 安全 规 程修 订工 作 。 单仁 亮教 授 的 主要 研 究 方 向是 井 巷 工 程 的开 拓 、掘 进 与 支 护 ，先后 主持 完 成 了煤 炭 部 重 点项 目 “钻 眼 能量 利 用 研 究 ”、煤 炭科 学 基金 “岩 石动 载破 碎强 度理 论研 究” 和 “凿岩 钎具 合理 连 接形式 与参 数 的理论 与试 验 研 究”、 国家 自然 科学 基金 青 年基 金 “局 部 冲击荷 载 作用 下岩 体破 裂规 律 的研究 ”、国家 自然 科 学基 金 “中高 应变 率下 无 烟煤 的力 学特性 研 究 ”、国家 自然科 学 基 金 委 员会 与 神 华集 团有 限责任 公 司联合 资助 项 目 “西 北地 区冻 结岩 土及 混凝 土 井壁爆 破 损伤 特性 与参 数优 化研究 ”、 国家 自然科 学基 金 “饱 冰裂 隙岩石 力 学特 性 及损 伤研 究 ”、教 育 部 博 士点 基 金 “岩 石 冲击 破 碎 的 随机性 研究 ” 等 国家级 、省部 级 项 目，“大 雁 矿 区软 岩巷 道 掘进 爆 破新 技 术 ”、“提 高立 井 钻爆 效率 与 钻爆 质量 ”、“提高炮 采 块煤 产 出率”、“岩巷施 工 配套装 备 与技术 的研 究 ”、“岩 巷 中深孔 爆破 与快 速掘 进 ”、“呼吉 尔特矿 区梅林庙 矿 井冻 结爆 破安 全技 术研 究”、“采 准巷 道 复合 支护 结构 力学 特性 与参 数优 化研 究 ”等若 干 大型 煤炭企 业 委托 的科 研项 目。 单仁 亮教 授 在凿 岩爆 破 、岩石 动力 学 、巷道 与边 坡支 护等 领域 具有 独 到的见 解 ，取得 了 显著 的成 绩 ，发 明 了岩巷 一次爆 破 方法 ，准 直 眼强力 掏槽 方法 ，裂 隙岩 体成 型控 制方 法 ，获 授权 国家发 明专 利 ３项 ，提 出了相 应 的爆破 理论 ；首 次研 究并 发 现 了爆 破对 冻结 岩 壁和冻 结 井 壁的损 伤 规律 ；揭 示 了爆破 作用 下 近 区锚 杆 的振动 频 率特性 ，锚 杆 中动 应变 和残余 应变 的 分 布特 征 ，锚喷 结构 的动 态损 伤变 形 特征 ；发 现 了加 强煤 巷 帮部 和角 部可 以促使 顶 部和 帮部 相 互支 撑 ，发 明了强 帮强 角 支护 方法 ，提 出 了强帮强 角 支护 理论 。发 现 了冻结 红砂 岩 的动态 强 度与 应变 率之 间 的关 系 ，建 立 了冻 结红砂 岩 的非 线性 蠕变 本构 模 型 ，确 定 了本构 模 型 中的 参 数 。发 表 了有 较 高影 响 的论文 １００余 篇 ，４Ｏ多 篇 被 ＳＣＩ、Ｅ１、ＩＳＴＰ检索 ，许 多 被 国内外 其 他 刊物 检索 或引 用 。１９９５年 获得 了煤 炭部 科技 进 步一 等奖 （排名 第七 ），１９９６年 获 国家科 技进 步三 等奖 （排 名第 七 ），２００２年获 得 中国煤 炭 工 业 科技 进 步 三 等 奖 （排 名 第 一 ），２００７ 年获 得 山西省科 技 进步 三等 奖 （排名 第一 ），２０１１年 获得 国 家科 技 进步 二 等奖 （排 名第 四 ）， ２Ｏｌ５年获得 山西省科 技进 步二 等 奖 （排 名 第一 ），获 得 北京 市 优 秀 教学 成 果 奖 １次 ，先后 ９ 次获 得 中 国矿 业大 学 科 技 进 步 奖 和 优 秀 教 学 质 量 奖 。１９９８年被 中 央 国 家 机关 工作 委员 会 、 共青 团中央 委员会 联合 授予 “中央 国家 机关优 秀青年 （科 技 类 ）”称 号 。２０１４年 获 国务 院政 府 特殊 津贴 。
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30 25 20 (dε/dt)/10 3
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大，岩石蠕变趋于稳定的时间不断增加。在应力水 平为 0.45 的条件下，岩石蠕变仍属于稳定蠕变，岩 样 不 会 发 生破 坏 。 岩 样轴 向 变 形 量最 终 保 持 在
1.205 mm。岩石垂直方向的应力可由下式计算：
H
（3）
式中： 为岩石重度(kN/m3)； H 为岩石埋深(m)。
0.2 ℃时，开始加载。通过低温单轴抗压强度试验
确定红砂岩瞬时单轴强度为 40.93 MPa。根据参考 文献[15]确定蠕变应力水平分别为 0.36、0.45 和
0.54。启动加载系统，给试件迅速加载至所需荷载，
记录此刻的变形量，之后不间断记录试件变形量， 试验过程中保持轴压波动幅度不超过 10 kPa。当 试样变形稳定（ d / dt ≤ 0.000 3h 1 ， 类蠕变）以 后，本级加载蠕变试验结束，随即进行下一级蠕变 试验，直到岩石试件趋于破坏（Ⅱ类蠕变）时，停 止试验。
摘
要： 对-10℃的冻结红砂岩进行了单轴蠕变试验， 应力水平依次为 0.36、 0.45 和 0.54， 发现当应力水平为 0.36 和 0.45 时，
红砂岩蠕变为稳定蠕变，当应力水平为 0.54 时，蠕变为不稳定蠕变。应力水平越高，蠕变达到稳定的时间越长。对蠕变曲 线的导函数进行分析，发现红砂岩不稳定蠕变的加速阶段门槛值为 13 h。通过对实测数据的拟合，得到了 3 个应力水平下红 砂岩蠕变的经验方程。由开尔文体、改进麦克斯韦尔体和改进陈沅江体串联组成了理论模型，并得到了模型参数，理论曲线 与实测曲线吻合较好，能够较好地反映冻结红砂岩的蠕变规律。试验结果为采用冻结法施工的矿井评价冻结壁的稳定性提供 了相应的参考。 关 键 词：冻结红砂岩；蠕变特性；经验方程；理论模型 文献标识码：A 中图分类号：TU 452
20 16 12
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8 4 0 -4 0 5 10 15 20 25 30 35 蠕变时间 t/h
图 4 α=0.45 时蠕变速率曲线 Fig.4 Creep rate curve while α=0.45
假设岩层的平均重度为 25 kN/m3，当应力水平 取 0.45 时，岩石蠕变试验所加荷载为 18.4 MPa, 按 照式（3）计算的岩石埋置深度为 736 m，也就是在 该深度范围内的完整红砂岩冻结井壁，可以认为其 蠕变是稳定型蠕变，在施工过程中可以有充分的时 间进行支护。
1 引 言
岩石的蠕变特性对岩石工程的安全性、稳定性 有着重要意义。岩石的蠕变特性随着岩性以及环境 的差异而区别明显。在一系列岩石流变试验的基础 上建立反映岩石流变性质的流变方程，通常有经验 方程法和模型理论法 。佘成学等 在西原模型的 基础上建立了一种新的岩石非线性蠕变模型，提出 了蠕变参数变化率的概念，统一建立了等速蠕变和 加速蠕变阶段的岩石蠕变参数变化公式，建立了岩 石的非线性-黏弹-黏塑性蠕变模型。丁志坤等[3]在 页岩蠕变试验数据的基础上，分析了岩石黏弹性变
第 35 卷第 6 期 2014 年 6 月
文章编号：1000－7598－(2014) 06－1541－06
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 No.6 Jun. 2014
冻结红砂岩非线性蠕变模型的研究
单仁亮，宋立伟，李东阳，黄宝龙，刘 念，赵文峰
（中国矿业大学（北京） 力学与建筑工程学院，北京 100083）
轴向应变 ε1/% 轴向应变 ε1/%
Fig.1
图 1 试样安装及低温压力室 Sample installation and freezing pressure chamber
1.40
1.20 实测 拟合
1.00
0.80 0 2 4 6 8 蠕变时间 t/h (a) α=0.36 1.55 10 12 14
-2 0 2 4 6 8 10 12 14
15 10 5 0 -5 蠕变时间 t/h
根据图 2(c)中的实测蠕变曲线，确定拟合函数 类型为 Growth/Sigmodial 中的 BiDoseResp 函数,具 体表达式为 1 0.001 0.004 0.702 0.298 5.746 0.198t 1.596 0.053t 1 10 1 10 （4） 决定系数 R 0.995 。 式（1） 、 （2） 、 （4）的决定系数均在 0.95 以上， 拟合效果较好。 从图 5 可以看出，当应力水平取 0.54 时，岩石 蠕变速率曲线与之前的速率曲线区别明显，在 0～ 13 h 范围内，蠕变速率逐渐降低，在 13 h 达到最低 点，之后蠕变速率曲线开始加速上升，此时岩石的 变形量开始大幅增长，最后导致岩石破坏，这种蠕 变是不稳定蠕变。从蠕变速率最低值到岩石最终发 生破坏还有 9 h 的变形加速过程。建议取蠕变速率 最低值对应的时间点为岩石不稳定蠕变的破坏起始 点，即蠕变加速度曲线上 y 值为 0 时对应的横坐标 值，如图 6 所示，曲线上纵坐标为 0 的点对应的横 坐标为 13 h。
(a) 岩样及径向位移传感器 (b) 低温压力室
2 红砂岩低温蠕变试验方案设计
试验是在中国矿业大学（北京）城市地下工程 实验室的冻三轴试验机上完成的，试验用岩石取自 内蒙古梅林庙矿 563～600 m 深度处，将新鲜完整 的大块红砂岩岩石从矿井取出后立即送到试件加工 厂， 垂直于岩石沉积方向钻取 39.1 mm 80 mm 的 圆柱体试件， 用抽气装置将试件孔隙中的空气抽掉， 然后浸水 7 d，取出放进低温控制箱冷却至-10℃， 并保持 24 h。 为分析煤矿竖井临空面井壁岩石的稳定性，本 次进行的是单轴分级加载蠕变试验，参考《人工冻 土物理力学性能试验》[15]并考虑冻结法凿井中岩石 温度场的实际分布， 试验温度设置为-10℃。 将试件 包裹在橡皮套内， 然后在端部加上平整的钢制压头， 的变形量，如图 1(a)所示。然后将试件放入压力室 内， 如图 1(b)所示。 之后将事先冷却至-10℃的航空 硅油打进压力室，为试件提供稳定的低温环境，最 后将压力室用保温隔热罩密封，减少能量损失。当 油温稳定在目标温度上，连续 2 h 波动幅度小于
Abstract: An uniaxial creep test of frozen red sandstone is conducted under -10℃, and stress levels are 0.36, 0.45 and 0.54 separately. The result shows that the red sandstone creep is stable when the stress levels are 0.36 and 0.45, but the rock creep is unstable when the stress level is 0.54. The higher the stress level is, the longer it will take for the creep reaches stability. From the analysis of derivative function of test data, it is found that the threshold value of acceleration stage in unstable creep is the 13rd hour. Three empirical equations of the red sandstone creep are gained by fitting the test data. A creep model is established which installs Kelvin body, modified Maxwell body and modified CYJ body in series and gains the parameters of the model. The model curves are consistent with test data better; so the model reveals creep discipline of frozen red sandstone. The result of creep test provides some valuable references for the evaluation of frozen rock’s stability in the mines that are being constructed by freezing method. Key words: frozen red sandstone; creep properties; empirical equation; theoretical model
Study of nonlinear creep model of frozen red sandstone
SHAN Ren-liang, SONG Li-wei, LI Dong-yang, HUANG Bao-long, LIU Nian, ZHAO Wen-feng
（School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China）
目前国内外对于冻结条件下岩石蠕变特性的 研究较少， Ladanyi
[14]
应力水平下轴向应变 1 与时间 t 的关系曲线。
对冰岩混合物和冰-岩交界面处
温度及应力条件变化的影响进行了研究，得到了一 些重要结论。随着冻结法凿井在我国煤矿中应用越 来越多，需要对采用冻结法凿井工程中的岩石蠕变 特性进行深入的分析和探讨，研究不同类型冻结岩 石的蠕变特性，更好地为工程提供技术支持，在此 背景下，以内蒙古梅林庙矿中厚度较大的红砂岩为 研究对象，展开了低温蠕变试验，建立了红砂岩在 低温条件下的经验方程和理论模型结构。