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
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

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

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

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｃｒｅｅｐｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｅｄ —ｂｅｄｓｏｆｔｒｏｃｋｏｆＴｅｒｔｉａｒｙａｔｌｏｗｔｅｍｐｅｒａ．
ｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｄｕｃｉｎｇ
，
—
ｔｅ舯
ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ａｔ
ｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｓｔｒａｉｎａｎｄｃｒｅｅｐｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓ０ｆｔＩ・ｏｃｋｄｅ．
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．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，ｇＨｕａｉｎａｎＡｎｈｕｉ２３２００１，Ｃｈｉｎａ；

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。

冻土蠕变的非线性模型研究

冻土蠕变的非线性模型研究曹伟;项蒙佳;赵少飞【摘要】In order to study the creep characteristics of the frozen soil , a kind of nonlinear viscous body which considers the influence of time and stress level is used to instead the ideal Newtonian fluid which is parallel with the spring.Based on this part ,a non-constant and non -Newtonian visco plastic body is connected in series with it , so a new nonlinear visco -elastic model is established .The equation of three -dimensional stress state is deduced.Then using this model , the experimental data of frozen soil creep is fitted by Origin software.The result shows that:①The fitting curves have good agreement with the test data and the model is suitable for the data indifferent temperatures.②The creep model can describe not only the the first two stages of the frozen soil’s creep, but also the accelerating stage.It is very meaningful to analyze the frozen soil creep under high stress.%为了研究冻土的蠕变特性，在传统的伯格斯模型中引入一种考虑时间和应力水平影响的非线性黏滞体，代替与弹簧并联的理想牛顿流体，并在此基础上串联一个由非定常、非牛顿黏壶和塑性体并联的新的非线性黏塑性体，从而建立了新的非线性模型，并推到了三维应力状态。

裂隙红砂岩冻胀力特性试验研究

裂隙红砂岩冻胀力特性试验研究单仁亮;白瑶;孙鹏飞;吴永鑫;隋顺猛;原鸿鹄【摘要】裂隙岩体冻胀现象在富水岩层冻结工程中普遍存在,冻胀力易使得岩体裂隙尖端应力集中而产生新的微裂纹,微裂纹扩展贯通导致岩体发生不同程度破坏.为揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,探究以冻胀力驱动下的岩体裂隙扩展规律,利用超薄型电阻式压力传感器、温度传感器、低温恒温箱组成的冻胀力测试系统对不同冻结速率、不同裂隙尺寸、倾角以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力进行测试,分析了贯通裂隙中冻胀力演化规律、冻胀劣化机制以及冻胀破坏模式.结果表明:含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程分为初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段;冻胀作用使得贯通裂隙端部附近出现明显裂纹扩展现象,试样整体呈竖向张拉破坏;贯通裂隙最大冻胀力随隙宽呈单指数函数增长、与温度成线性正相关;冻结过程中,试样边界条件对裂隙冻胀力影响显著,刚性约束边界条件下最大冻胀力达到1.27 MPa,融化过程中,不同边界条件对应不同冻胀力跌落现象;低温条件下贯通裂隙红砂岩冻胀力变化特征与冻胀过程中声发射能量变化规律一致,充分验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用.研究成果可为裂隙岩体冻胀力理论计算与数值分析、冻融损伤机制、冰-岩耦合特性以及煤矿立井冻结壁设计等提供参考.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2019(044)006【总页数】11页(P1742-1752)【关键词】冻结壁;红砂岩;裂隙产状;冻胀力;冻胀扩展【作者】单仁亮;白瑶;孙鹏飞;吴永鑫;隋顺猛;原鸿鹄【作者单位】中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TU452我国西北地区鄂尔多斯盆地一带的煤炭储备丰富，但该地区表土层较浅，覆土下方为深厚基岩，且局部岩层内带状脉状裂隙含水系统、断裂带贮水空间以及断裂带集水廊道中地下水丰富，人工冻结法是此类富水基岩井筒建设中最有效的方法。

不同初始含水率红砂岩冻融损伤的试验研究及其机理分析的开题报告

不同初始含水率红砂岩冻融损伤的试验研究及其机理分析的开题报告一、研究背景与意义：红砂岩，在我国的建筑、道路、桥梁等领域得到了广泛应用。

然而，气候条件的变化会对红砂岩结构的稳定性产生很大的影响，其中冻融损伤是一种常见的现象。

不同的初始含水率会对红砂岩的冻融损伤程度产生很大的影响，因此对于不同初始含水率红砂岩的冻融损伤进行研究，有助于更好地理解红砂岩的冻融损伤机理，有望为红砂岩的应用提供技术支持和理论依据。

二、研究内容：本项目旨在研究不同初始含水率红砂岩在冻融循环过程中的损伤情况，具体研究内容如下：1.采集不同含水率的红砂岩样品，并通过实验测定其物理力学性质。

2.采用人工冻融循环实验，对不同含水率的红砂岩在不同循环次数下的冻融损伤情况进行观测和记录。

3.通过显微镜观测等手段，分析红砂岩在冻融损伤过程中的微观变化及其机理。

三、研究方法：本研究采用实验研究方法，首先采集不同含水率的红砂岩样品，并通过实验测定其物理力学性质，包括密度、抗压强度、抗拉强度等。

随后，采用人工冻融循环实验对不同含水率的红砂岩样品进行冻融循环测试。

在测试过程中，采用断面显微镜等手段对样品的微观变化进行观测和记录，分析冻融损伤的机理和影响因素。

四、预期结果：通过本研究的实验测试和分析，可以得到以下预期结果：1.不同初始含水率的红砂岩在冻融循环过程中的损伤情况不同，具体表现为表面剥落、裂纹扩展等现象。

2.红砂岩中的孔隙结构及其变化是影响冻融损伤的主要因素。

3.在不同的含水率条件下，红砂岩对冻融循环的敏感程度不同，说明了含水率对红砂岩的稳定性具有一定的影响。

4.通过对红砂岩的冻融损伤机理进行分析，有助于为红砂岩的应用提供更好的技术支撑和理论依据。

五、研究难点和解决方案：本研究的主要难点在于红砂岩的孔隙结构及其变化的观测和分析，可以通过适当的样品处理和显微镜等工具来解决这一难题。

六、总结：本项目的研究内容是围绕不同初始含水率红砂岩冻融损伤的试验研究进行的，通过实验测试和分析，考察了红砂岩在不同含水率条件下的冻融损伤情况及其机理，有望为红砂岩的应用提供更好的技术支撑和理论依据。

冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型

第 54 卷第 3 期2023 年 3 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.3Mar. 2023冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型贾蓬，毛松泽，孙占阳，钱一锦，卢佳亮(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳，110819)摘要：为研究冻融砂岩受载过程中的损伤劣化规律，首先，对冻融0，25，50，75和100次的砂岩进行单轴压缩试验，获得不同冻融循环后损伤砂岩的应力−应变关系以及破坏模式；其次，基于能量演化及能量分配规律，分析不同冻融次数砂岩的损伤特性；最后，提出利用耗散能变化规律确定应力−应变曲线分段压密点的方法，建立冻融砂岩的分段损伤本构模型。

研究结果表明：砂岩的强度和弹性模量随冻融次数增加而降低，砂岩的破坏模式逐渐由剪切破坏为主向张剪复合破坏转变；破坏后的裂纹数量逐渐增多，破坏表现为由脆性逐渐向延性破坏过渡；峰值应力处的总能量、弹性能、耗散能均随冻融次数增加，表现出“减小—增加—减小”三段式变化规律；弹性能耗比(耗散能与弹性能的比值)的最小值K min 是判断砂岩从稳定状态转向非稳定状态的重要标志，是冻融砂岩破裂前的预兆指标。

基于冻融和受荷损伤因子，建立了考虑压密段的分段损伤本构模型，能够更合理地描述冻融损伤砂岩的变形破坏过程。

关键词：冻融循环；能量演化；损伤；破坏前兆；分段损伤本构模型中图分类号：TU452 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2023）03-0908-12Energy evolution and piecewise constitutive model of freeze-thawdamaged sandstoneJIA Peng, MAO Songze, SUN Zhanyang, QIAN Yijin, LU Jialiang(School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)Abstract: In order to understand the damage deterioration characteristics of freeze-thaw sandstone in the loading process, firstly, uniaxial compression tests were conducted on sandstones experiencing 0, 25, 50, 75 and 100 freeze-thaw cycles and the stress-strain relationships, damage modes of damaged sandstones were obtained. Secondly, the damage characteristics of sandstone experiencing different freeze-thaw cycles were analyzed in terms of energy evolution and energy distribution law. Finally, the stress-strain curve compaction point was determined by using the energy dissipation law. A piecewise constitutive model of freeze-thaw sandstonewas收稿日期： 2022 −07 −15；修回日期： 2022 −08 −23基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2022YFC2903903)；国家自然科学基金资助项目(52174071) (Project(2022YFC2903903) supported by the National Key R&D Program of China; Project(52174071) supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：贾蓬，博士，教授，从事岩石力学与地下工程研究；E-mail ：****************DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.03.010引用格式：贾蓬, 毛松泽, 孙占阳, 等. 冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(3): 908−919.Citation: JIA Peng, MAO Songze, SUN Zhanyang, et al. Energy evolution and piecewise constitutive model of freeze-thaw damaged sandstone[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(3): 908−919.第 3 期贾蓬，等：冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型established. The results show that with the increase of the freeze-thaw cycles, the strength and elastic modulus of the sandstone decrease. The failure mode of the sandstone changes from shear failure to tensile-shear failure, and the failure behavior transforms from brittle failure to ductile failure with the increase of the freeze-thaw cycles.The total energy, elastic energy and dissipated energy at the peak stress all show a three-stage variation law of "decrease−increase−decrease". The minimum value of the elastic energy consumption ratio Kmin(ratio of dissipated energy to elastic energy) is a sign marking that the rock enters into the unstable stage, and therefore it can be used as a failure precursor. Based on the comprehensive damage factor of freeze-thaw and loading, a piecewise constitutive model considering the compaction stage is established, which can better describe the deformation process of freeze-thaw damaged sandstone.Key words: freeze-thaw cycles; energy evolution; damage; failure precursor; piecewise constitutive model砂岩是一种含有天然孔隙、裂隙等缺陷[1]的不连续材料，在寒冷地区，砂岩孔隙、裂隙中含有的水分会因为昼夜与季节温度差异而发生冻结和融化，使砂岩长期处于反复的冻融环境，促使原有孔隙、裂隙等缺陷的发育，导致其力学性能劣化[2]，这严重危害了岩石工程的安全与稳定。

冻结红砂岩力学特性试验研究

冻结红砂岩力学特性试验研究单仁亮;赵文峰;宋立伟;黄博;魏龙飞;吕进阳;肖禹航【摘要】为了研究梅林庙矿区红砂岩在冻结条件下的力学性质,对红砂岩试样分别进行了不同围压以及不同温度条件下的三轴力学特性试验.试验结果表明:围压和温度对于冻结岩石有着很明显的影响.在-15℃条件下红砂岩轴向抗压强度与围压呈线性增长关系,红砂岩仍然遵循莫尔-库伦强度准则,其黏聚力为11.99MPa,内摩擦角为33.7°.在围压为12MPa条件下红砂岩抗压强度与温度呈现二次曲线的关系,弹性模量与温度呈线性关系,而泊松比受温度的影响并不大.利用曲线拟合得出3种不同围压下强度与温度的关系式,从而为井筒科学掘进提供理论支撑.【期刊名称】《煤矿开采》【年(卷),期】2014(019)002【总页数】4页(P9-12)【关键词】冻结岩石;力学性质;围压;温度【作者】单仁亮;赵文峰;宋立伟;黄博;魏龙飞;吕进阳;肖禹航【作者单位】中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD315内蒙古梅林庙煤矿所在区域地下水丰富，矿井开挖过程中，大量地下水会流入井筒内，造成井筒淹水。

在此种岩层中掘进时，为了堵截地下水，提高井壁稳定性，冻结法凿井是解决上述问题的有效方法，工程设计人员通常采用冻结法进行施工。

国内外学者已经对冻结法凿井有一定的研究［1－4］，并且一直致力于低温条件下深厚表土以及岩石的物理力学性质的研究，取得一系列的研究成果［5－6］。

杨更社［7－8］等选取胡家河矿井典型岩样，通过一系列的力学性质试验，分析了围压和温度对于冻结岩石三轴抗压强度特性的影响规律，并推出了温度因子对冻结岩石非线性破坏准则的影响。

岩石非线性蠕变损伤模型的研究

2型
根据损伤力学基础理论，将损伤变量引入到所建非线性黏弹塑性流变本构模型中[15]，建立岩石非线性蠕变损伤本构模型。考虑损伤后可以认为是流变模型的材料参数在变化。设无损伤的岩石弹性模量为 Ei ( i = 1, 2 ) 、黏滞系数为 ηi ( i = 2,3, 4 ) ，有损伤的岩石弹性模量为 Ei∗ 黏滞系数为ηi∗ ( i = 2,3, 4 ) ,有效参数可表示为 ( i = 1, 2 ) 、 ⎧ E1∗ = E1 (1 − D (σ , t ) ) ， ⎪ ∗ ⎪ E2 = E2 (1 − D (σ , t ) ) ， ⎪ ⎪ ∗ (16) ⎨η 2 = η2 (1 − D (σ , t ) ) ， ⎪ ∗ ⎪η3 = η3 (1 − D (σ , t ) ) ， ⎪ ∗ ⎪ ⎩η 4 = η4 (1 − D (σ , t ) ) 。
⎡ σ∗ ⎢ ⎢ B (1 − D (σ , t ) − D (σ , 0 ) ) 1 − D (σ , 0 ) − D (σ , t ) − Dα ⎣
(
)
⎤ (14) ⎥ ， ⎥ ⎦
v
⎡ ⎤ σ∗ c (σ , t ) = ⎢ D ⎥ ⎢ B (1 − D (σ , t ) − D (σ , 0 ) ) ⎦ ⎥ ⎣
τ0
。
(19)
图 1 岩石非线性黏弹塑性损伤流变模型 Fig. 1 Non-linear visco-elasto-plastic rheological damage model of rock
1 岩石蠕变损伤分析
岩石蠕变条件下的总损伤分为两部分，可写成以下形式： D (σ , t ) = D (σ ,0 ) + D c (σ , t ) 。 (1)

岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究

岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究东兆星单仁亮中国矿业大学(江苏,221008)[摘　要]　岩石在高应变率下的破坏类型及动态强度理论是工程爆破中的一个重要的基本问题。

以往研究岩石的破坏类型只停留在静载作用下,而其强度理论也多采用静态强度理论。

作者利用SH PB 装置对常见的四种岩石进行了大量冲击试验。

结果表明,岩石在冲击载荷作用下破坏分为四种类型:压剪破坏、拉应力破坏、拉应变破坏和卸载破坏,而且其破坏强度随冲击速度的提高而提高。

最后对强度理论作了讨论。

[关键词]　岩石　高应变率　破坏模式　强度理论　SH PB 装置Research on the Fa ilure Pa ttern and Strength Properties of Rock under D ynam ic L oad i ngDong Zhaox ing ,Shan R en liangU n iversity of M in ing and T echno logy of Ch ina (J iangsu ,221008)[ABSTRA CT ]　T he fialu re pattern s and dynam ic strength theo ry of rock is an i m po rtan t p rob lem in engineering b lasting .T he failu re pattern s of rock w as fo rm erly on ly studied on the bases of static loading and the static strength theo ry w as adop ted .A large amoun t of i m pact test w as carried ou t on fou r k inds of common rock by u sing SH PB .R esu lts show n that the rock failu re under i m pact loading are classified in to fou r pattern s ,i .e .comp ress 2shearing dam age ,ten sile stress dam age ,ex ten sib le strain dam age and un loading dam age ,and the rock dam age strength increases w ith increasing i m pact velocity .F inally ,the strength theo ry of rock are discu ssed .[KEY W ORD S ]　rock ,h igh strain rate ,failu re pattern ,strength theo ry ,SH PB1　引言高应变率下岩石的本构特性和强度特性是研究控制爆破机理、岩石破碎机理以及爆炸应力波传播的重要问题,而强度及破坏理论一直是岩土力学与工程界的重要课题。

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30 25 20 (dε/dt)/10 3
-
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
-
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。