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高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究

高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究

作者：于超云大连理工大学

学位级别：硕士

随着科技的进步及煤炭资源条件的改变,国家对煤矿建设及安全生产提出了更高的要求。众所周知,在水岩相互作用过程中,软岩的物理力学性质将发生很大的改变,再加之时间效应的影响,水对软岩造成的损伤有时比力学因素导致的损伤更为严重。因... 详细信息

随着科技的进步及煤炭资源条件的改变,国家对煤矿建设及安全生产提出了更高的要求。众所周知,在水岩相互作用过程中,软岩的物理力学性质将发生很大的改变,再加之时间效应的影响,水对软岩造成的损伤有时比力学因素导致的损伤更为严重。因此,开展富水环境下软岩巷道时效性变形的研究是十分必要的,不仅可以加深对水对软岩力学性能如变形、破坏、强度,流变等力学特性影响的认识,而且可对软岩巷道时效性变形的形成机理进行探究性的解释,从而为确定软岩巷道有效的支护方法提供较为可靠的理论依据。本论文以国家自然科学基金面上项目(NO.51174039)“水汽环境中的围岩松动圈形成机理与分析方法研究”及国家自然科学基金青年基金项目(NO.51004020)“水分迁移条件下岩石的时效变形损伤弱化机理研究”为依托,主要从两个方面开展了富水环境下软岩巷道破坏的时效性研究,一是在理论方面,建立了考虑水对流变参数弱化作用的变参数蠕变损伤本构方程;二是在数值模拟方面,利用岩石破裂过程分析RFPA软件模拟了高湿度环境下矩形巷道时效性破坏过程以及工程中常见的巷道底鼓的现象,最后对围岩松动圈形成机理进行了探讨。全文主要研究成果如下： (1)通过阅读相关文献,归纳、概括了国内外学者关于水对软岩的弱化作用在理论、物理实验和数值模拟等方面的研究现况。 (2)在理论上,首先归纳总结了软岩的力学特性及流变理论。其次,基于传统的西原模型,引入与湿度有关的损伤变量Dω以及与时间相关的损伤变量Dt,建立了考虑湿度效应的软岩变参数蠕变损伤本构方程。根据已有的单轴蠕变试验结果,通过对相同应力条件不同含水状态和相同含水状态不同应力条件下的西原模型蠕变参数的反演,经对比发现,拟合曲线与试验曲线十分吻合,验证了该模型在反映软岩的蠕变力学特性方面的合理性和正确性,并且该模型还可以较好的描述加速蠕变阶段的流变过程。 (3)在数值模拟方面：(a)利用湿度-应力-损伤耦合模型,采用岩石破裂过程分析软件,建立了三种层状岩层矩形煤巷数值模型以及三种开采方式的矩形煤-岩巷道数值模型,通过分析矩形巷道围岩破坏过程及其时效性变形的特点,得到了矩形巷道围岩在湿度场下破坏的演化规律。结果表明,在湿度场下,虽然矩形煤巷和煤-岩巷道在应力分布和破坏范围方面有所不同,相同的是,湿度对围岩力学性质的劣化与时间有关,因此围岩变形具有时间效应。在进行巷道支护时,首先应通过有效的防水措施,防止因水等因素造成的围岩破坏,此外,巷道两帮及强度较低的岩层以及卧底开挖的顶板岩层是重点支护的部位。 (b)根据已有的膨胀试验反演出数值模拟所需的扩散系数、膨胀系数、强度和弹性模量的折减系数等参数值,利用岩石破裂过程分析软件,模拟了巷道底鼓的演化过程。结果表明巷道底鼓是一个时间历程,在湿度向围岩内部扩散的过程中,应力集中的范围也随之扩大,当围岩强度弱化到小于围岩集中应力值时,破坏产生及巷道底板位移的急剧增加。 (c)基于细观损伤数值分析方法,考虑岩体的非均匀特性,采用岩石破裂过程分析RFPA系统,再现了围岩松动圈形成过程,并根据巷道围岩变形稳定的时间,预测松动圈的厚度。从环境因素入手,探讨巷道松动圈形成机理,有助于进一步发展松动圈理论,把握控制岩石长期稳定性的原理,从而为岩土工程的施工和支护方案提供科学的依据和方法,具有一定的理论和工程实际意义。

关键词：软岩 RFPA 时效性变形本构模型底鼓松动圈

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加载速率效应下恒温花岗岩损伤破坏规律研究

地下空间与工程学报 2024年第3期20卷 788-799,847页

作者：鲍先凯姜斌于超云时睦涵张武内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010 内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心内蒙古包头014010 内蒙古自治区土木工程安全与耐久重点实验室内蒙古包头014010

为研究恒温花岗岩的加载速率效应,以60℃恒温花岗岩试样为实验对象,开展不同加载速率下花岗岩单轴压缩试验并采用声发射技术实时监测并进行数值模拟计算,分析试样的力学特性和破坏演化规律。结果表明:随加载速率增加,花岗岩弹性模量先... 详细信息

为研究恒温花岗岩的加载速率效应,以60℃恒温花岗岩试样为实验对象,开展不同加载速率下花岗岩单轴压缩试验并采用声发射技术实时监测并进行数值模拟计算,分析试样的力学特性和破坏演化规律。结果表明:随加载速率增加,花岗岩弹性模量先减小后增大,泊松比先增大后减小;0.005 mm/s加载速率下试件声发射信号曲线平滑、增长缓慢,0.01 mm/s、0.015 mm/s加载速率下声发射信号曲线曲率急剧增加,而0.02 mm/s加载速率下声发射信号断崖式上升;不同加载速率下的张拉裂纹散点分布靠近AF轴,剪切裂纹散点分布均远离AF轴,张拉裂纹散点远多于剪切裂纹;声发射RA-AF演化特征分析和数值模拟分析都很好地印证了花岗岩低加载速率下的破坏形式是以张拉为主的张拉-剪切混合破坏,高加载速率下的破坏形式主要为张拉破坏,这与试验结果高度吻合。

关键词：花岗岩加载速率声发射振铃 RA-AF演化特征损伤破坏

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龙游石窟5号洞室的破坏机理研究"

地下空间与工程学报 2020年第1期16卷 106-113页

作者：于超云张慧慧唐春安大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 安徽财经大学会计学院安徽蚌埠233030

龙游大型古地下工程洞室群具有大跨度、超浅埋的特点,其独特的结构形式和高超的施工工艺是我国古人智慧和创造力的结晶,也是世界地下空间开发利用的一大奇迹。已对外开放的5号洞室多处出现了开裂,且裂缝不断扩展。为了深入了解石窟围岩... 详细信息

龙游大型古地下工程洞室群具有大跨度、超浅埋的特点,其独特的结构形式和高超的施工工艺是我国古人智慧和创造力的结晶,也是世界地下空间开发利用的一大奇迹。已对外开放的5号洞室多处出现了开裂,且裂缝不断扩展。为了深入了解石窟围岩的破坏机理,为石窟的保护工作提供理论依据,基于三维地质扫描技术建立5号洞室的几何模型,利用RFPA-3D数值计算软件,对构成5号洞室的顶板、岩柱、洞口围岩的应力场分布规律以及变形破坏特征进行分析。研究发现,在洞口顶板产生拉伸裂缝,岩柱产生压剪裂缝。数值模拟结果中洞室顶板和岩柱的裂缝分布情况与现场调查结果吻合较好。研究结果可为5号洞室围岩力学行为的科学分析、预测及石窟的保护等提供依据。

关键词：龙游石窟数值计算破坏机理 RFPA3D

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湿度场下矩形巷道围岩破坏规律的数值研究

济南大学学报（自然科学版） 2015年第3期29卷 204-209页

作者：于超云唐世斌唐春安大连理工大学岩石破裂与失稳研究中心辽宁大连116024

为探究高湿度环境对矩形巷道破坏过程的影响,利用湿度-应力-损伤耦合模型,采用岩石破裂过程分析软件湿度版,建立3种层状岩层煤巷数值模型及3种开采方式的煤-岩巷道数值模型,再现湿度场下矩形巷道围岩破坏过程,分析湿度场下巷道变形随时... 详细信息

为探究高湿度环境对矩形巷道破坏过程的影响,利用湿度-应力-损伤耦合模型,采用岩石破裂过程分析软件湿度版,建立3种层状岩层煤巷数值模型及3种开采方式的煤-岩巷道数值模型,再现湿度场下矩形巷道围岩破坏过程,分析湿度场下巷道变形随时间变化的特点。结果表明:湿度对矩形巷道的变形和破坏有显著影响。煤巷的破坏裂纹首先在两帮的煤层中萌生,进而扩展到强度较低的顶板或者底板,最终扩展到强度较高的岩层中;煤-岩巷道顶板的变形量与煤层的相对位置有关,虽然破坏同样先出现在煤层中,但是与煤巷不同的是,裂纹向距离煤层近的顶板或底板扩展。

关键词：湿度场矩形巷道围岩破坏数值模拟

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高湿度环境下围岩松动圈形成机理探讨

中国科技论文 2015年第9期10卷 1019-1022页

作者：于超云唐春安唐世斌大连理工大学土木工程学院辽宁大连116024

为研究围岩松动圈形成和扩展机理,从环境因素入手,通过引入湿度扩散方程,以及湿度与围岩力学性质的弱化关系,建立了湿度-应力-损伤理论模型,采用数值模拟的方法再现了围岩松动圈的形成扩展过程,得到了围岩时效性变形和破坏规律及其相应... 详细信息

为研究围岩松动圈形成和扩展机理,从环境因素入手,通过引入湿度扩散方程,以及湿度与围岩力学性质的弱化关系,建立了湿度-应力-损伤理论模型,采用数值模拟的方法再现了围岩松动圈的形成扩展过程,得到了围岩时效性变形和破坏规律及其相应的应力演化结果。结果表明:数值模拟结果与现场试验结果具有很好的一致性;湿度是影响松动圈形成的一个重要因素,这一观点不仅可以有效解释目前松动圈理论存在的问题,而且可以为完善松动圈理论提供新思路。

关键词：采矿工程松动圈湿度-应力-损伤模型数值模拟湿度扩散

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含水弱化的软岩变参数蠕变损伤模型研究

中国科技论文 2015年第3期10卷 300-304页

作者：于超云唐春安唐世斌大连理工大学土木工程学院辽宁大连116024

为准确描述软岩受水弱化作用影响的蠕变特性,基于西原模型,引入与含水率有关的损伤变量Dω以及与时间相关的损伤变量Dt,建立了考虑软岩含水劣化效应的变参数蠕变本构模型,并采用参数反演的方法对模型的合理性和正确性进行了验证。研究表... 详细信息

为准确描述软岩受水弱化作用影响的蠕变特性,基于西原模型,引入与含水率有关的损伤变量Dω以及与时间相关的损伤变量Dt,建立了考虑软岩含水劣化效应的变参数蠕变本构模型,并采用参数反演的方法对模型的合理性和正确性进行了验证。研究表明:水的存在导致软岩蠕变量增加,到达稳定蠕变的时间延长;改进的蠕变损伤模型在不同含水状态和不同应力等级下的拟合曲线与试验曲线都十分吻合;该模型可以较好地描述蠕变全过程尤其是加速蠕变阶段。开展含水弱化软岩蠕变损伤本构关系的研究,将为进一步认识软岩的流变特性提供一定的理论依据。

关键词：岩土工程软岩蠕变损伤模型参数反演

基于OBE理念的岩石力学课程教学改革——以内蒙古科技大学土木工程专业为例

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创新创业理论研究与实践 2023年第3期6卷 153-155页

作者：于超云李君龙内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010 内蒙古科技大学能源与环境学院内蒙古包头014010 内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心内蒙古包头014010 内蒙古自治区土木工程安全与耐久重点实验室内蒙古包头014010

该文基于成果导向教育(OBE)理念,结合内蒙古科技大学土木工程专业岩石力学课程教学过程中的问题,提出了基于OBE理念的课程教学改革措施。从课程大纲制定、案例教学模式、数值分析软件的应用、注重过程考核和基于目标达成度的持续改进等... 详细信息

该文基于成果导向教育(OBE)理念,结合内蒙古科技大学土木工程专业岩石力学课程教学过程中的问题,提出了基于OBE理念的课程教学改革措施。从课程大纲制定、案例教学模式、数值分析软件的应用、注重过程考核和基于目标达成度的持续改进等方面进行了改革探索,可为该课程的教学提供一定的参考,同时也为该课程的教学改革提供思路借鉴。

关键词： OBE理念教学改革岩石力学案例教学数值实验目标达成度

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基于长期强度的节理岩体洞室蠕变特性研究

河南城建学院学报 2014年第2期23卷 1-5页

作者：于超云唐春安大连理工大学岩石破裂与失稳研究中心辽宁大连116024

为了进一步探究节理岩体蠕变特性,摆脱传统意义上从宏观弹塑或粘弹塑本构的角度分析岩体流变特性的方法,将细观单元视为弹脆性的本构关系,采用考虑岩石长期强度的岩石破裂过程分析系统,通过对不同工况下的节理岩体洞室数值模拟,得到了... 详细信息

为了进一步探究节理岩体蠕变特性,摆脱传统意义上从宏观弹塑或粘弹塑本构的角度分析岩体流变特性的方法,将细观单元视为弹脆性的本构关系,采用考虑岩石长期强度的岩石破裂过程分析系统,通过对不同工况下的节理岩体洞室数值模拟,得到了节理间距和节理夹角对围岩蠕变特性及其破坏特征的影响规律。结果表明:节理岩体洞室围岩的蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的水平夹角小于45°时,节理岩体洞室围岩蠕变量随着节理面夹角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小,当节理面倾角等于45°时,围岩出现大量破坏,并表现出加速蠕变的特征。

关键词：长期强度节理岩体蠕变特性

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荷载与水共同作用对红砂岩蠕变特性的影响

水利与建筑工程学报 2019年第1期17卷 24-29页

作者：于超云唐世斌唐春安大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

在岩体工程中,岩石往往受到荷载和水的共同作用。为了研究岩石在荷载和水共同作用下的蠕变力学性质,将红砂岩试件浸没在水中并施加不同应力水平,进行单轴压缩蠕变试验。通过比较浸水试件和表面密封的饱和及干燥试件的蠕变力学参数,研究... 详细信息

在岩体工程中,岩石往往受到荷载和水的共同作用。为了研究岩石在荷载和水共同作用下的蠕变力学性质,将红砂岩试件浸没在水中并施加不同应力水平,进行单轴压缩蠕变试验。通过比较浸水试件和表面密封的饱和及干燥试件的蠕变力学参数,研究了荷载与水共同作用对红砂岩蠕变特性的影响。结果表明,浸水试件的长期强度最小,饱和试件次之,干燥试件最大;而且浸水试件稳态应变率最大,饱和试件次之,干燥试件最小。从损伤力学及裂纹扩展的角度来看,环境中的水分持续运移到由于蠕变变形产生的新裂隙中,加剧了水对岩石的物理力学作用是导致浸水试件的蠕变特性更加显著的原因。试验结果对岩体工程的监测及稳定性分析具有一定的指导意义。当对岩体工程进行稳定性计算分析时,建议依据荷载与水共同作用条件下的试验结果选取岩石力学参数。

关键词：蠕变试验水岩作用应力水平稳态应变率长期强度