考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究

以北山花岗岩为研究对象,采用MTS815岩石力学试验系统开展不同温度条件下的蠕变特性试验研究。考虑温度对花岗岩特征参数的影响,结合岩石蠕变破坏过程中的损伤演化规律,提出了一种新的高温损伤流变元件。通过将高温损伤流变元件代替经典西原模型中Newton元件的方法,构建了能够描述不同温度条件下花岗岩蠕变全过程的本构模型。分析了不同温度条件下花岗岩单轴蠕变试验结果,确定了模型参数,获得了温度对花岗岩蠕变关键参数的影响规律。通过对花岗岩高温蠕变模型进行参数敏感性分析,揭示了弹性模量、黏性系数等关键参数对花岗岩蠕变特性的影响规律,并验证模型在不考虑温度及损伤的影响条件下可退化为经典西原模型。研究表明,建立的花岗岩高温蠕变本构模型可以准确地描述花岗岩典型蠕变全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段。黏性系数受损伤的影响越大,花岗岩的稳定蠕变阶段越短,越容易发生加速蠕变。     

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

在岩石破裂过程分析（RFPA2D）系统的基础上,考虑岩石损伤过程的时间因素影响,引入岩石细观单元蠕变本构方程,建立了考虑流变效应的岩石破裂过程RFPA2D数值模型。应用该模型模拟了恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程,得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,模拟结果同实验室试验所观察到的现象十分吻合。这表明考虑流变效应的RFPA2D数值模型适用于模拟岩石的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。此外,数值模拟还揭示了岩石的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果,这些结论对岩石工程的长期稳定性研究具有重要的理论指导和实践意义。     

基于Weibull分布的红砂岩三轴蠕变试验及模型研究

当前,地下工程围岩蠕变问题仍然存在,蠕变理论需要进一步丰富。岩石蠕变实质上是损伤不断积累的过程,针对蠕变条件下岩石损伤演化情况,文章采用TAW-2000多功能三轴伺服试验系统对取自四川乐山依卜隧道的红砂岩进行三轴蠕变试验,分析不同围压下试样蠕变变形规律,同时以西原模型为基础,结合Weibull分布和Perzyna黏塑性理论,建立一种改进的可以描述岩石蠕变破坏全过程的黏弹塑性蠕变模型。通过划分蠕变阶段来定义临界点损伤变量,从而更为准确地确定加速蠕变启动时间。得出如下结论：（1）模型曲线与试验数据具有良好的一致性,验证了模型的准确性与合理性,说明基于Weibull分布建立的红砂岩黏弹塑性蠕变模型是可行的;（2）基于Perzyna黏塑性理论,建立了可以更加准确的描述加速蠕变的黏塑性应变表达式;（3）文章建立的基于Weibull分布和Perzyna黏塑性理论的三轴损伤蠕变模型能够较好的描述岩石蠕变全过程,克服了西原模型不能描述加速蠕变的缺点。本研究通过定义不同蠕变阶段的临界点损伤变量更好的反映了岩石蠕变变形与损伤之间关系,丰富了岩石类材料的蠕变本构理论。     

基于非线性损伤理论的改进CVISC模型及其在FLAC3D中实现

滑坡形成是一个典型的岩土变形破坏时效过程,低速滑坡时效过程尤为显著。基于流变理论,建立反映滑坡变形破坏发展过程的本构模型、预测滑坡活动趋势,一直是国内外滑坡研究的基本途径和难点问题之一。然而,目前国内外已有的多数流变模型仅能反映滑坡岩土蠕变的第一、第二阶段,不能刻画滑坡岩土蠕变的第三阶段（加速蠕变阶段）。本文基于滑带在滑坡中的作用以及滑带岩土剪切蠕变发展的累进性和非线性特征,借助损伤理论,在FLAC3D内置的CVISC流变本构模型中引入非线性损伤黏塑性元件,构建了可描述滑坡加速蠕变过程的非线性损伤流变本构模型,依据类比原理建立了改进的CVISC三维差分模型,通过FLAC3D开放的用户接口实现了本构模型的二次开发,并将改进的CVISC模型用于长期缓慢滑移、伴随间歇性剧烈活动的甘肃舟曲泄流坡数值模拟中。模拟结果显示,该模型不仅呈现了滑坡的加速蠕变特征,而且揭示的滑坡活动特征与其曾经出现的活动特征基本一致,从而证实基于非线性损伤理论的改进CVISC模型具有较好的有效性。     

北京地铁国贸站隧道周围土体的蠕变试验研究

北京地铁10号线国贸站需穿过现有的国贸立交桥梁群桩基础,为研究该区域土体的流变性质对隧道-土层-桥梁基础及上部结构长期变形的影响,在室内进行了隧道周围土体的三轴排水蠕变试验,并给出了适合描述该土体蠕变性质的Mesri模型的参数。研究表明,隧道周围土体存在一定的蠕变特征,但稳定蠕变速率不大,偏应力较小时,Mesri模型的计算结果与试验结果吻合较好,而偏应力较大时与试验结果稍有差别,但该模型总体上能够较好地描述这一地区土体的蠕变变形特征。     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

三峡库区马家沟滑坡滑体粗粒土蠕变试验研究

为进行滑坡建模和数值模拟的需要,针对三峡库区马家沟滑坡滑体粗粒土开展了三轴蠕变试验,研究了不同围压、不同应力水平下滑体土的蠕变变形规律。试验表明,滑体粗粒土具有明显的非线性蠕变特征,蠕变过程可分为减速蠕变和匀速蠕变2个阶段;围压和应力水平对蠕变速率和蠕变阶段划分有重要影响。采用应力-应变关系为指数函数,应变-时间为幂函数的Singh-Mitchell（简称S-M）蠕变模型描述粗粒土的蠕变特性,与试验数据对比表明,S-M蠕变模型与试验结果具有较好的一致性,能很好地描述该粗粒土的蠕变特性。     

厦门海底隧道围岩流变特性及其特征曲线

厦门海底隧道是我国建设的第一条海底公路隧道,其穿越的F1,F2,F3,F4共4条断层破碎带,洞体围岩软弱、破碎,流变属性十分明显。对该类岩石进行了室内三轴压缩流变试验。试验结果表明,幂律型蠕变模型可以用来较好地模拟该类岩石除第三阶段蠕变以外的蠕变行为,并得到幂律型蠕变模型的相关流变参数。将幂律型蠕变方程和Drucker-Prager屈服准则相耦合来描述岩体的非线性黏弹塑性特性,应用数值方法研究了该隧道围岩的变形特性及其特征曲线。     

基于等效黏弹性的变阶分数阶岩石损伤蠕变模型

基于分数阶Zener模型与时变黏性Zener模型之间的等效黏弹性,突出弛豫时间在岩石流变黏弹性演变过程中的重要性。当弛豫时间趋近于无穷大,蠕变过程中的黏性演变等同于松弛过程中的黏性演变,并且建立了与弛豫时间相关的损伤因子,解释了损伤因子在岩石流变变形过程的物理意义。利用弛豫时间建立分数阶变阶函数,依此构造变阶分数阶损伤蠕变模型,并且将模型推广到三向应力状态,给出三向应力状态下变阶分数阶损伤蠕变模型。最后基于砂岩的三轴蠕变试验数据,验证了三轴状态下变阶分数阶损伤蠕变模型的可应用性和合理性,试验数据与模型拟合曲线吻合度较高,可以较好地描述蠕变全过程力学行为。模型拟合参数的有效性得到分析和验证,增加了模型在其他复杂应力环境下的可应用性。     

Q_2黄土流变特性及其统计损伤流变模型

通过对西安地区不同湿度原状Q2黄土的单轴蠕变试验和三轴蠕变试验,得到了Q2黄土的单轴、三轴蠕变曲线和应力-应变等时曲线。试验曲线分析表明,Q2黄土具有明显的非线性流变特性。Q2黄土的粘弹性特性可采用五元件广义的Kelvin模型来描述,其线性粘塑性特性可用与一滑块并联的Maxwell模型来描述,而非线性粘塑性特性可通过损伤与塑性应变的耦合作用来反映。在考虑损伤门槛值的统计损伤及黄土粘弹塑性组合模型的基础上,应用应变等效原理,建立了考虑瞬时损伤的统计损伤流变模型,并通过拟牛顿法确定了相应的模型参数。该模型能够很好地模拟黄土流变非线性特征,该模型不仅参数较少,而且适用性较广。     

基于断裂及高温损伤的岩石蠕变模型研究

为了反映热-力耦合作用下岩石蠕变变形的全过程,依据断裂力学原理提出了岩石裂纹扩展的临界损伤应力和一个新的可描述岩石在稳态蠕变阶段与临界损伤应力相关的非线性黏性分量,在传统西原模型和Burgers模型的基础上,将指数形式的损伤变量、临界损伤应力以及与其有关的非线性黏性分量引入到流变微分方程,通过叠加原理推导了考虑温度效应的单轴和三轴压缩条件下岩石的流变本构关系,建立了岩石的热-力耦合损伤蠕变本构模型。利用不同温度、不同应力条件下花岗岩的三轴蠕变试验曲线和本文蠕变模型的计算曲线进行比较,结果表明本文蠕变模型能够较好地模拟岩石在初始瞬态、稳态和加速蠕变阶段全过程的变形规律,验证了所建模型的有效性和合理性。该模型为分析高温、高应力环境下岩石工程的长期变形和稳定情况提供了理论依据。     

基于Burgers模型考虑损伤的非定常岩石蠕变模型

Burgers模型只能描述岩石蠕变的前两个阶段,为了描述蠕变全过程,考虑蠕变参数的时间效应及损伤带来的影响,采用非定常黏性元件取代Burgers模型中串联的定常黏性元件,使其能描述加速蠕变阶段。根据损伤变量的变化特征,假定了一个函数,经过Lemaitre应变等效原理,代入Kelvin模型可得到能描述蠕变衰减阶段的模型。试验数据拟合结果显示,改进的Burgers模型能很好地描述加速蠕变阶段,模型拟合曲线与试验曲线基本吻合,相关系数高,参数取值也在合理范围内;非定常Burgers模型更适合描述不同应力下的岩石蠕变特征曲线。     

基于分数阶导数理论的Q3黄土流变本构模型研究

荷载的时间效应诱发的黄土蠕变和渐进破坏会显著影响其工程构筑物的长期服役性能。特别是在我国西北地区黄土广泛分布,在荷载的长期作用下一些典型工程建构筑物(如西安地铁开挖的黄土隧道工程)可能因黄土蠕变和渐进破坏而失稳,进而对工程建设的顺利实施以及工程建设完成后其安全运营维护产生极为不利影响。可见,对黄土流变特性进行分析并揭示其流变机理进而建立其本构模型具有重要的理论和实际意义。为此,以Q₃黄土为研究对象,基于分数阶导数理论,通过对典型蠕变变形过程进行分析,提出了一种可模拟加速蠕变阶段非线性变化特征的分数阶元件模型,对其进行理论分析进而建立了分数阶改进西原模型并推导出本构方程。在此基础上对Q₃黄土的原状与重塑样开展了三轴分级循环加-卸载流变试验,以验证分数阶改进西原模型的有效性。相应的理论计算结果表明:分数阶改进西原模型既能实现对Q₃黄土减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个流变阶段的模拟,又可弥补整数阶改进西原模型无法描述加速蠕变阶段的不足,而且相比于整数阶改进西原模型,其在减速蠕变及卸载阶段的预测效果更佳。研究结果为考虑黄土流变问题的建构筑物安全运营维护设计与施工方案提供了重要的理论依据。     

角闪斜长片麻岩流变力学特性研究

为了解小湾水电站枢纽区角闪斜长片麻岩的流变力学特性,采用岩石全自动三轴流变伺服仪对角闪斜长片麻岩进行三轴流变力学试验。试验结果表明,强度较高的角闪斜长片麻岩会发生流变现象,尤其在高应力水平条件下,其流变特性明显;外荷载超过岩样的长期强度时,随着时间的逐渐增加试样变形经历典型流变3个阶段,并最终加速流变破裂。依据岩样稳态流变阶段的流变速率与应力水平的关系,提出了一种确定长期强度的方法。在Burgers流变模型中加入统计损伤,并用Mohr-Coulomb准则确定的岩石长期强度作为开始进入非线性加速流变阶段的阀值,得到相应的非线性损伤流变模型。利用岩石全程三轴流变试验结果,采用优化后的算法,对非线性损伤流变模型相应的参数进行了辨识,结果表明,建立的岩石统计损伤非线性流变变模型与流变试验结果吻合较为理想,可以较为准确地反映角闪斜长片麻岩的流变力学特征     

An improved hardening-damage creep model of lean coal: a theoretical and experimental study

Creep is an important rheological behavior of coal, impacting pillar stability, gateway support performance, and construction costs in underground mining. It is of great significance to study the creep mechanism of coal to prevent creep failure. In this paper, uniaxial compressive creep tests of raw lean coal under multiple stages are conducted, the increasing instantaneous elastic modulus and decreasing viscosity coefficient are calculated to analyze the hardening-damage creep mechanism of coal, and some new conclusions are as follows. When the stress is low, the hardening effect exists, and coal strain shows an instantaneous response. At high stress, both the damage effect and hardening effect work and coal strain shows time-dependent transient creep and steady creep. During multistage creep, coal is first hardened, then weakened, and finally fails due to well-developed cracks. Based on the strain evolution laws of lean coal at different stress levels, an elastic viscous-plastic model is established, and the hardening function and damage function are introduced into the model to obtain an improved hardening-damage creep model. This model is used to fit the creep data, and the model curves match the testing data very well, showing much better accuracy than other models. This model is simple with clear physical meanings of the elements and can reflect the nonlinear hardening-damage creep of raw lean coal under uniaxial compression very well.     

冻土蠕变指标试验研究

通过不同温度、不同加载应力作用下冻结兰州黄土、黏土、砂质黏土的蠕变试验,分析了蠕变曲线、初始应变、流变起始应变与流变起始时间、破坏应变与破坏时间及相对蠕变指标.结果表明：3种土质冻土的蠕变曲线变化规律大致相同,加载过程中,应变非线性增加,且加载应力越大、温度越高,初始应变越大;流变起始时间与破坏时间都与加载应力、温度有密切关系,加载应力越大、温度越高,越先出现流变和破坏. 对于相同的土质,加载应力和温度对流变起始应变、破坏应变的影响不大;对于不同土质的初始应变、流变起始应变和破坏应变,都是黏土最大、砂质黏土次之、兰州黄土最小. 3种土质冻土的初始加载段和非稳定蠕变段所占的时间较短,但产生的应变却较大;同时,温度越高,相对流变时间越短、相对破坏时间越长,说明非稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变短、稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变长.     

锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究

岩石的蠕变损伤和断裂是岩石流变效应的重要表现形式,但其损伤演化过程往往难以直观观测,为此,采用二维颗粒流数值模拟方法(PFC2D)对岩石的蠕变损伤和断裂的细观力学机制进行了分析。在锦屏大理岩室内试验基础上,利用颗粒流应力腐蚀模型(PSC),建立了能反映其短期和长期强度特征的柱状岩样数值模型,并开展了大量数值试验。结果表明,蠕变损伤的演化过程与暂态的损伤演化过程具有明显的差异。在岩样蠕变损伤过程中,其内部微裂纹多沿加载方向开裂且分布均匀,先快速增加再稳定扩展,最后则发生快速断裂。当荷载较小时,岩样宏观上呈现劈裂破坏特征,当荷载较大时,岩样呈现剪切破坏特征。在岩样蠕变损伤初始和稳定演化阶段的前期,荷载大小对岩样的损伤演化过程影响不大;在稳定演化阶段的后期至断裂过程中,低荷载下岩样的损伤增速比高荷载下快。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性流变模型

借鉴经典元件组合模型的建模思路,将含分数阶微积分的软体元件与弹簧元件串联,结合一个幂函数黏塑性体,提出一种新的四元件非线性黏弹塑性流变模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程,得到在不同应力条件下的蠕变曲线。可以发现,岩石稳定蠕变阶段的非线性渐变过程和加速蠕变阶段蠕变速率的快慢程度可通过调整蠕变参数进行有效地模拟。在较低应力水平时,模型能够有效地刻画岩石的初始蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性。利用该模型对试验数据拟合的结果表明,含有软体元件和幂函数黏塑性体的非线性流变模型能够有效地描述岩石的蠕变特性,减少组合模型中的元件个数和参数数量。     

深层膏质泥岩蠕变特性及非线性蠕变模型研究

泥岩作为油气储层常见复杂介质,在深部高温、高压环境下蠕变力学特性异常复杂,是引起套管损伤破坏的重要因素。以深部油气藏工程含膏质泥岩为研究对象,首先开展了高温为130 ℃、高围压为30 MPa、不同偏应力水平下多试样、单级加载三轴蠕变试验。该泥岩呈显著的时效力学特性,蠕变应力阀值较低,应力和持时对蠕变特性存在显著影响,低应力、长时间作用下泥岩亦呈现明显的稳态蠕变和加速蠕变破坏,且加速蠕变起始时间随应力增加呈指数降低关系。其次探讨了泥岩加速蠕变和强度损伤特性,提出了蠕变损伤起始时间概念,认为泥岩内部蠕变损伤变量可用指数函数予以描述。最后,基于蠕变损伤变量和起始时间,构建考虑泥岩加速蠕变的非线性改进Burgers蠕变模型,对蠕变参数开展辨识和分析,所选模型可准确地对深层膏质泥岩蠕变特性进行描述。研究成果旨在为深部泥岩油气藏套管工程长期稳定分析及安全评价提供可靠的依据。