硬脆性岩石卸荷流变特性及本构模型研究

依托某在建大型水电站,采用保持轴向应力不变、分级卸围压方式,对硬脆性花岗岩进行蠕变试验,分析了硬脆性岩石的卸荷蠕变变形特性及宏观和微细观破裂形式。结果表明,硬脆性岩石的卸荷流变过程可分为减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个阶段,并且存在卸荷流变门槛值。岩样屈服前后,轴向应变和侧向应变关系分别符合线性函数关系和对数函数关系。低围压下岩石主要发生沿轴向的张拉性劈裂破坏,高围压下则发生沿斜截面的剪切破坏。基于对蠕变损伤演化的分析,建立了硬脆性岩石非线性粘弹塑性损伤流变模型,以便描述硬脆性岩石不同阶段的蠕变特性。     

改进的广义Bingham岩石蠕变模型

基于岩石全自动流变伺服仪上得到的绿片岩三轴流变试验数据，分析蠕变曲线的特征，构造出能够表现岩石衰减蠕变和加速蠕变阶段特征的非线性函数，引入到广义Bingham的蠕变本构方程中，得到一个新的非线性蠕变模型，该模型的材料参数较少。通过绿片岩流变数据对新的非线性蠕变模型的参数进行辩识，得到了蠕变模型的材料参数。对蠕变模型计算结果和试验结果的比较表明，该模型能够很好的描述蠕变曲线中的初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段，证明了该模型的正确性和合理性。     

朱集煤矿泥岩的流变试验与本构模型研究

巷道等地下工程围岩的蠕变极大地影响着工程的稳定性,正确认识岩石的流变特性可以使岩土工程的设计、施工和运行更加安全可靠。以朱集煤矿泥岩为研究对象,采用分级加载方式,进行单轴弹黏塑性流变试验,借助Origin软件对流变试验数据进行深入分析,研究该岩样各级荷载作用下的轴向蠕变规律,并分别采用线性的Burgers模型和七元件非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)对轴向蠕变曲线进行拟合,确定流变模型的力学参数。将拟合曲线与试验曲线对比分析,结果表明:应力水平较低时,2种模型均能较好地反映蠕变过程;当应力达到长期强度后,七元件非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)能较好地反映泥岩岩样流变的3个阶段,而Burgers模型偏差较大。     

一种改进的Bingham岩石蠕变模型研究

为描述岩石完整蠕变特性,基于非线性流变力学理论,引入能够描述衰减蠕变和加速蠕变阶段的2个非线性函数,将替换传统Bingham模型中的线性元件,建立了一种改进后的Bingham岩石蠕变本构模型。通过引入屈服强度阀值来界定岩石蠕变阶段,当岩石在高应力状态下,模型能同时描述衰减蠕变、定常蠕变和加速蠕变3个阶段。利用天然页岩蠕变试验结果,根据通用全局优化算法,对改进后Bingham模型的参数进行反演辨识,获得了流变参数。对比拟合曲线与试验结果显示,改进后的模型拟合效果良好,相关系数均在0. 9以上,说明该模型的适用性与可行性。     

基于应变屈服临界的岩石黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究岩石的非线性加速蠕变特性, 依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征,划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态,并给出了相应状态的蠕变力学特性。假定岩石在三轴压缩试验条件下,发生延性剪切破坏,推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式。基于Perzyna黏塑理论,考虑后继屈服硬化作用,引入统计损伤因子,构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型;采用岩石全自动伺服三轴蠕变试验机对三峡库区典型砂岩试样开展了蠕变试验,得到了岩石试样在不同应力水平作用下的蠕变变形曲线。结果表明:蠕变试验中,岩样力学性质的时效特征显著,在最后一级应力水平作用下发生了非线性加速蠕变现象。基于提出的黏弹塑性蠕变模型对试验曲线进行拟合,拟合结果说明模型能够较好地反映砂岩蠕变3个阶段变形的规律特征,拟合效果较好。     

一种新的岩石黏弹塑性流变模型

根据岩石流变力学特性,提出了一个能描述岩石加速流变阶段的黏塑性流变模型。然后,将这个岩石黏塑性流变模型与5元件黏弹性剪切流变模型串联起来,构成了一种新的岩石黏弹塑性流变模型。利用花岗岩剪切流变试验曲线对该岩石黏弹塑性流变模型进行辨识,获得了模型的流变参数。将岩石黏弹塑性流变模型拟合结果与剪切流变试验结果进行比较,结果表明岩石黏弹塑性流变模型能够较好地描述岩石的加速流变特性。     

真实水环境下红层软岩蠕变模型辨识 与参数确定

采用轴压水压联合作用岩石流变试验系统进行了滇中地区红层软岩室内压缩蠕变试验。研究结果表明:真实水环境下红层软岩在破裂应力水平之前具有黏弹性特征,在破裂应力水平下表现出非线性黏弹塑性特征;Ｂｕｒｇｅｒｓ模型和非线性黏弹塑性模型可以准确地描述软岩在真实水环境下三个蠕变阶段的力学特性,模型拟合效果较好;蠕变参数随加载应力不断变化反映出岩石内部损伤不断加剧、累积,力学性能不断劣化的演变过程。     

一种岩石损伤流变模型及数值分析

根据石膏角砾岩的蠕变特性,建立石膏角砾岩的损伤流变模型;推导有限元计算中黏弹塑性损伤流变模型黏性应变的计算公式,结合初应变法的基本原理,分析模型的有限元求解过程;用MATLAB编制了损伤流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的程序对石膏角砾岩蠕变试验进行有限元分析,有限元计算结果与蠕变试验结果吻合得较好,表明采用统计损伤理论研究岩石的非线性流变是可行、有效的。     

围岩破损区的时效模型探讨

开挖扰动形成的围岩破损区由于力学性质弱化,容易发生时效变形,引起围岩破损区时效变形甚至失稳的主因是破损区岩体流变特性中的蠕变性质。本文将塑性位势理论引入元件流变模型,基于"不可逆变形难以区分出塑性部分和不可逆粘性部分"的认识,建立了一种适用于描述围岩破损区演化的时效本构模型(流变本构模型),该模型在低应力状态下反映粘弹性性质、高应力状态下反映粘弹—粘塑性性质。与同类型的元件流变模型相比,本文推导的流变模型只增加了一个可以由力学试验获得的长期强度参数,却可以延用塑性位势理论中的屈服条件作为稳态蠕变过渡到加速蠕变的判断准则(即蠕变破坏准则)。     

考虑含水损伤的Q2黄土非线性蠕变模型研究

对Q2黄土进行不同含水状态下的三轴蠕变试验,结果表明,随着含水率的增高,Q2黄土的流变性能增强。根据试验曲线形态特征,选用一个广义Kelvin模型串联一个非线性黏塑元件组成非线性黏弹塑性模型(改进的西原模型)。应用改进的西原模型对试验数据进行拟合求参,结果显示瞬时变形模量EH、黏弹性变形模量EK、黏弹性黏滞系数ηK随含水率增加呈指数形式递减。引入含水损伤变量D(ω),计算得出各蠕变参数含水损伤演化方程,进而建立考虑含水损伤的非线性蠕变模型。应用试验数据对其进行验证,证明考虑含水损伤的非线性蠕变模型能够有效的描述Q2黄土的整体流变特征。     

卵石土蠕变本构模型及其工程应用

卵石土是岩土工程建设中的常用材料,由于针对其流变力学特性的研究较少,导致无法评价该种材料的长期稳定性。采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,针对卵石土开展了室内三轴蠕变试验,对卵石土蠕变的有关力学问题进行了探讨,分析了卵石土蠕变与时间、应力状态的关系,并提出了11参数卵石土蠕变的数学表达式及相应的参数指标。将该本构模型嵌入到ABAQUS软件中,计算了某大桥锚碇下覆地基的长期沉降变形。结果表明,提出的本构模型可以很好地描述卵石土的流变特性。与锚碇沉降变形监测结果相比,蠕变加速变形阶段的沉降计算结果偏大,蠕变稳定阶段的沉降计算结果偏小。研究结果可为卵石土的长期变形计算提供相关参考。     

含水砂岩蠕变损伤模型的二次开发及工程应用

隧道围岩在富水环境下流变现象显著。以某砂岩隧道为研究对象,开展砂岩饱和状态下的三轴压缩蠕变试验,建立考虑含水率的损伤表达式。砂岩流变性态为黏性-黏弹性-黏塑性,通过统一流变力学模型理论确定蠕变模型结构为H- N -H｜N -N｜S,基于此模型进行损伤演化,从而得到蠕变损伤模型并将其推广为三维情形。将本构模型三维差分化,通过C++和FISH语言在FLAC^3D中实现了二次开发。还原实际试验条件,进行仿真验证,证明二次开发成功及模型参数求取的正确性。建立隧道三维模型,调用自定义蠕变本构模型,进行不同蠕变时间下的数值计算,验证本文蠕变损伤模型在岩体工程应用中的可行性。研究成果可为类似本构模型的构建与开发及隧道长期营运安全性分析提供参考。     

考虑加速蠕变的深井巷道粉砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型研究

围岩流变特性是影响巷道工程安全性和稳定性的关键因素之一,本构模型的研究是岩石流变力学理论研究中最基本最重要的组成部分,同时也是将试验研究成果应用于实际工程的必要环节。综合采用试验研究、理论分析和数值试验模拟分析等研究方法,对淮南矿业集团朱集煤矿千米深井巷道粉砂岩的流变力学特性和本构方程的构建进行了分析研究。在参考大量相关理论和试验资料的基础上,提出改进的与应力以及时间有关的指数函数形式的非线性黏塑性元件,将之与Burgers蠕变模型串联形成能够模拟岩石三阶段蠕变特性的六元件组合模型。对朱集煤矿深井巷道粉砂岩进行高围压状态下三轴蠕变试验,获得了不同应力水平下的蠕变曲线,依据测得的轴向蠕变曲线对所提出的六元件蠕变模型进行参数辨识,验证了模型的合理性。     

断续软弱夹层岩石流变力学特性研究

 岩石流变力学特性是岩石力学研究中的重要课题,与岩石工程长期稳定性有着十分密切的联系。基于大型岩土工程分析软件 FLAC（3D）,采用黏弹塑性流变本构模型,模拟了非贯通断续软弱夹层的不同间距、不同长度及倾角等因素条件下岩石的弹塑性变形与流变变形情况。研究分析了各种因素对岩体弹塑性变形与流变变形的影响以及各影响因素之间多重相关性。结果表明：夹层长度、夹层厚度与夹层间距两两之间都有着较强的相关性;岩桥倾角和夹层倾角与其他影响因素的相关性较弱。夹层长度、夹层间距和夹层厚度对岩石弹塑性变形以及流变变形量影响较大,岩桥倾角和夹层倾角对岩石变形影响不显著。     

岩石混凝土类材料细观损伤流变断裂模型及其工程应用

本文从二维空间单一裂缝在外力场作用下的流变损细观机理出发，考虑裂缝尖端的传动效应的流变效应，并考虑裂缝面的粗糙传力作用和裂缝的三维效应，得到了计算岩体及混凝土坝体结构内三维裂缝的损伤流变作用下的断裂扩展的一组半解析近代公式，将此模型应用于某一工程央体边坡的开挖分析中，分析结果和观测值较为一致。     

基于分数阶微积分的Q2黄土含水损伤蠕变模型

为探索含水Q₂黄土的蠕变特性,对Q₂黄土进行不同含水状态下的三轴蠕变试验,试验结果表明随着含水率的增高,Q₂黄土的流变性能增强。基于分数阶微积分构造的软体元件可描述理想的固体与流体之间材料性质的特性,选用包含软体元件在内的四元件非线性蠕变模型对试验数据进行回归计算拟合求参,并对不同含水率下的模型参数进行分析。结果显示瞬时变形模量E_H与黏弹性系数ξ₁均随含水率增加呈指数形式递减;引入含水损伤变量D_(ω),计算得出各蠕变参数含水损伤演化方程,进而建立考虑含水损伤的非线性蠕变模型,通过应用试验数据对其进行验证,结果表明基于分数阶微积分的含水损伤蠕变模型能够有效地描述Q₂黄土的整体流变特征,模型具有较好的应用前景。     

软弱岩体蠕变模型辨识与参数反演

压缩蠕变试验是了解岩体蠕变力学特性的重要手段。通过对大岗山水电站坝区软弱岩体现场压缩蠕变试验资料的分析,揭示坝区软弱岩体具有瞬时弹性变形、减速蠕变和弹性后效特性。通过对各种流变组合模型的辨识,确定采用广义开尔文模型来反映坝区软弱岩体的压缩蠕变特性。根据辨识的蠕变模型推导出了刚性承压板边缘岩体表面的压缩蠕变变形计算公式,据此采用优化反演法获得了坝区软弱岩体的瞬时弹性模量、黏弹性模量和黏滞系数等蠕变参数,从而为坝区边坡加固设计和稳定性分析提供了重要的岩体流变参数资料。