低温环境下红砂岩蠕变特性及其模型

为研究低温环境下岩体工程的长期稳定性,以饱水状态下的陕西红砂岩为研究对象,采用MTS810岩石力学试验机进行不同温度(20,-10,-20℃)条件下的分级加卸载单轴蠕变试验,研究了不同温度条件下红砂岩的蠕变特性及温度对岩石蠕变特性的影响。根据蠕变试验结果,将岩样总应变分为瞬时应变和蠕变应变,瞬时应变由瞬时弹性和瞬时塑性应变组成,蠕变应变由黏弹性和黏塑性应变组成。结果表明,瞬时应变随应力水平的增加而增大,瞬时弹性应变与应力呈近似线性关系;随着应力水平的增加,黏塑性应变随时间逐渐增加,总应变中黏塑性应变的比例也趋于增大。随着温度的降低,岩样瞬时应变及相同应力水平下的蠕变应变均减小,蠕变持续时间延长,岩石破坏强度提高。根据岩样的变形特性结合蠕变试验结果,引入分数阶微积分,建立考虑低温影响的非线性流变模型;采用通用全局优化算法结合最小二乘法中的Levenberg-Marquarat算法对不同温度环境中的蠕变试验结果进行参数识别,理论曲线与试验结果吻合度较高,尤其加速蠕变阶段效果较好,表明该模型能够很好地描述红砂岩在低温环境下的蠕变行为;对不同温度条件下的模型参数进行分析,结果表明,随着温度的降低弹性模量E_3(T)呈抛物线式增长,而弹性模量E_1(T),E_2(T)及黏性系数η_1(T)呈指数形增长,为冻结法施工和寒区岩体工程长期稳定性分析提供理论依据。     

高温三轴应力下气煤蠕变特征及本构模型

采用中国矿业大学研制的“600 ℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,对尺寸为 200 mm×400 mm的山东兴隆庄气煤进行了200 ℃和400 ℃两个温度点的三轴应力下的蠕变实验。实验表明：200 ℃时,气煤蠕变具有明显的第1,2阶段,但未出现加速蠕变阶段,而400 ℃时,气煤在很短时间内就进入加速蠕变阶段;在温度和应力共同作用下,气煤在加载瞬间及后续变形过程中,始终伴随着显著的塑性变形,煤体变形为典型的黏弹塑性变形。通过对不同温度下气煤的渗透率和孔隙率的分析,初步判断300 ℃是气煤蠕变特征发生变化的临界温度。根据气煤高温蠕变特征,引入一种新型的非线性黏壶,构建了气煤的高温蠕变本构模型,该本构模型轴向蠕变的理论曲线和实验曲线吻合较好,表明该本构模型能较好地模拟高温下气煤的蠕变特征。     

改进的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型及其硬化黏滞系数的修正

基于蠕变过程中的硬化-损伤机制,在对江西东乡铜矿砂质页岩单轴循环加卸载蠕变试验数据分析过程中,提出硬化-损伤效应的时效机制,并基于此对高应力条件下衰减蠕变阶段的黏滞系数(硬化黏滞系数)进行修正;结合定常蠕变阶段的损伤蠕变机制,提出高应力条件下岩石损伤效应的累积-扩散机理,并据此引入以累积损伤蠕变量为判定准则的加速蠕变触发模型(非线性蠕变体)描述岩石的不稳定蠕变特征。在此基础上,引入瞬时塑性元件,与虎克体和黏弹塑性体串联,建立了一个能够完整描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。试验曲线与模型曲线较吻合,说明对高应力下硬化黏滞系数修正的必要性,改进非线性蠕变体的正确性与合理性。     

不同温度下含煤层气(瓦斯)煤蠕变规律实验研究

为探索温度场中含气煤体的蠕变规律,首先采用型煤进行了不同温度下的含气煤体全应力应变加载实验,确定了含气煤体蠕变实验时的轴向加载应力。随后,保持轴压、围压、气压不变进行了不同温度下的蠕变实验,测得了不同温度下含气煤体的轴向应变、径向应变、体积应变与时间的动态变化曲线。实验结果表明:不同温度下含气煤体蠕变过程中,轴向应变-时间曲线、径向应变-时间曲线、体积应变-时间曲线均随温度升高而增大,各类应变-时间曲线有不同程度的交叉,反映出不同温度下各类应变的初始瞬时应变及衰减速率不同,并有明显的减速蠕变与等速蠕变两阶段,加速蠕变阶段不明显;各温度下的蠕变全过程中,蠕变体积应变以轴向压缩应变占主导。温度越高,体积应变中轴向压缩应变越大。最后,建立含气煤体的蠕变应变表达式。计算表明,温度升高使得含气煤体弹性降低,黏性增大,煤体更易于产生压缩变形。     

考虑湿度效应的膨胀岩流变模型

在西原体模型的基础上,综合考虑湿度因素对膨胀岩的影响,构造了含湿度因素的基本流变元件,将湿度效应引入到模型中,建立了膨胀岩应力和湿度耦合作用下黏弹塑性本构方程,得到了蠕变方程、卸载方程和松弛方程。研究结果表明：考虑湿度效应的西原体模型在应力小于屈服应力时,模型为稳定蠕变,其卸载曲线存在着瞬时弹性、弹性后效和由湿度效应引起的黏性流动;当应力大于屈服应力时,模型为不稳定的蠕变,其卸载曲线存在着瞬时弹性、弹性后效和由应力和湿度效应共同引起的黏性流动。根据等效应变和等效应力理论,推导了考虑湿度影响的多轴蠕变理论模型。模型较全面地反映了膨胀岩石在湿度作用下的流变特性,适用于湿度和应力共同作用下岩石的稳定性分析。     

高围压下高孔隙水压对岩石蠕变特性的影响

为研究高应力作用下深部岩体开挖过程中孔隙水压对围岩时效变形特性的影响,选取重庆某深部细砂岩为研究对象,对其进行不同水压下分级加载蠕变试验,试验表明:孔隙水压增强了砂岩的变形能力,但随着水压的升高,加载初期的一段时间内,水压在一定程度上会延缓轴向变形;蠕变过程中黏弹性模量随时间呈指数函数变化,通过分析不同水压作用下指数函数中参数的变化规律,得到黏弹性模量随时间和水压变化的表达式,进而提出修正的广义Kelvin模型,该模型能较好的描述不同水压作用下岩石的非线性黏弹性蠕变特性。基于不同水压下加速蠕变试验曲线特征,采用拟合、类比的方法引入一个能反映不同水压作用时加速蠕变特征的二元件黏塑性模型,将该模型与修正的广义Kelvin模型串联组成一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型。基于试验结果,利用优化分析软件1stOpt,对模型参数进行辨识,效果比较理想;对比试验曲线和理论曲线,二者吻合较好,验证了模型的正确性。     

岩石试件非线性黏弹塑性蠕变模型研究

蠕变是岩石的重要力学特征之一。根据岩石全过程应力-应变曲线的特征,建立非线性黏弹塑性蠕变模型,并建立了模型的状态方程、本构方程、恒应力状态下的蠕变方程和恒速率应力状态下的蠕变方程。通过引入岩石的流变指数建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,较好地反映了岩石试件的3阶段蠕变过程,充分描述岩石加速蠕变特性;同时,得出岩石试件蠕变变形、蠕变速率和蠕变加速度的解析表达式。通过分析,岩石试件在恒应力速率下,只要应力大于岩石的长期强度,岩石试件就进入加速蠕变阶段;而在恒应力下,岩石试件在经过一定时间后才能进入加速蠕变阶段,这一时间的长短与岩石试件的力学性质有关。     

基于非定常分数阶的岩石时效性蠕变模型

为了研究砂岩在不同围压作用下的蠕变特性,采用MTS 815.02试验机对砂岩进行三轴蠕变试验,进而分析了砂岩在不同围压作用下的蠕变变形规律.将黏壶黏滞系数非定常化来构建非定常Abel黏壶,在此基础上对分数阶阶数进行非定常化,进而建立一种基于非定常分数阶的砂岩时效性蠕变本构模型,使得该模型可以更好地描述岩石的加速蠕变变形规律;通过Levenberg-Marquardt算法对三轴蠕变模型参数进行识别,来验证构建蠕变模型的正确性.结果表明:在时间和应力双重作用影响下,将分数阶阶数γ当做是一个关于应力和时间的函数,构建的非定常分数阶砂岩三维时效性蠕变本构模型可以很好地描述岩石的加速蠕变变形规律;模型曲线和试验曲线拟合均在0.95以上,侧面证明了将分数阶阶数非定常化是可行的.同时,采用单轴蠕变曲线和蠕变模型曲线进行对比,得出试验数据与一维时效性蠕变模型的吻合度也较高,这进一步说明了采用非定常化分数阶阶数建立的一维时效性蠕变模型是可靠的.     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩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有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

分级加卸载下节理软岩流变试验及模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司 Ⅲ 矿区软弱节理矿岩进行蠕变试验,按瞬时弹性应变、滞后黏弹性应变、瞬时塑性应变与黏塑性应变对流变试验数据进行分析,探讨了软弱节理矿岩的黏弹塑性变形特性;引入2种非线性元件--裂隙闭合体和非线性牛顿体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合元件流变模型,以研究复杂条件下节理软岩的黏弹塑性变形特性.试验结果表明,复合元件流变力学模型能很好地描述节理软岩在不同应力水平下的蠕变特性,特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,金川Ⅲ 矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.