石膏岩蠕变特性及本构关系研究

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本文以荆花石膏矿为依托工程,以国家自然科学基金面上项目《石膏岩矿柱—护顶层支撑体系破坏机制的突变理论研究》(51274188)为科研背景,通过矿物成分分析实验、电镜扫描等基础实验,确定荆花石膏矿的物理化学特性。在此基础上,开展石膏岩室内三轴压缩蠕变实验及饱水单轴压缩蠕变实验,研究石膏岩天然三轴压缩蠕变实验及饱水单轴压缩条件下的蠕变特性,并建立石膏岩蠕变本构方程。  具体研究成果如下:  (1)以荆花石膏矿为依托工程,搜集依托工程水文地质环境等资料,开展矿物成分分析实验、电镜扫描等实验。结果表明:荆花石膏岩纯度高,几乎不含硬石膏;天然含水率较低(平均为0.28%),水分不均匀,主要分布在黑色杂质中;水对石膏岩的力学特性影响较大。  (2)对荆花石膏矿进行围压为0MPa、2.5MPa、5MPa、7.5 MPa的天然三轴压缩蠕变实验可得:石膏岩蠕变包含衰减蠕变阶段及等速蠕变阶段;每一级的蠕变变形及蠕变稳定时间随着轴向应力的增大而增大,蠕变特征越来越明显;蠕变强度是瞬时强度0.76-0.94倍,长期强度是蠕变强度的0.89-0.95倍。  (3)对荆花石膏矿进行饱水单轴压缩蠕变实验可得:饱水试样蠕变包含衰减蠕变及等速蠕变两个阶段;与天然试样相比,饱水试样衰减蠕变量占总蠕变变形量的比值较小,每一级的蠕变稳定时间也较长,这表明饱水试样蠕变特性比天然试样蠕变特性明显;饱水试验平均蠕变强度(11.67MPa)是天然试样(21.5MPa)的0.54倍,饱水试样的平均长期强度(10MPa)是天然试样(19.5MPa)的0.51倍。水对石膏岩的流变特性有重要影响。  (4)对比现有组合元件模型,分析荆花石膏矿室内蠕变数据,利用直接筛选法及后验排除法选取最能表征荆花石膏岩蠕变特性的西原模型对实验数据进行拟合。拟合结果表明,在单轴、三轴及饱水情况下,西原模型能较好的描述荆花石膏矿的蠕变特性,选取西原模型拟合合理,为实际工程提供分析依据。
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