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。     

深部坚硬细砂岩长期强度试验

从单向抗压强度试验得到深部细砂岩的强度极限为83.698 2 MPa,残余强度为0.单轴8级加卸载蠕变试验得到深部细砂岩的蠕变下限为27 MPa,各级蠕变加载水平下的初期衰减蠕变阶段相似;破坏前的细砂岩不包含应变率ε0的稳态蠕变阶段,达到破坏级加载水平时,岩石直接呈现以瞬间急速破坏为主要特征的包含3阶段的蠕变全过程.细砂岩长期强度与瞬时强度之比达94.39%,其强度与时间的相关性很弱.综合单向抗压强度及蠕变试验成果,该层细砂岩可作为深部岩石工程整体稳定性的重要依托岩层,且主要依据的力学指标为单向抗压强度.     

坚硬岩石弱蠕变特性实验曲线的初级函数拟合

蠕变实验曲线是研究岩石蠕变特性的基础,基于坚硬岩石实验曲线的瞬时变形阶段极近直线、坚硬岩石蠕变实验曲线的稳态蠕变阶段斜率恒定以及坚硬岩石具有较高的蠕变下限等因素,将描述蠕变特性的实验曲线大幅缩减为必要的若干关键阶段。坚硬岩石普遍呈弱蠕变特性,非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而明显提高,径向蠕变特性较轴向蠕变特性更趋显著。坚硬细砂岩初期衰减蠕变阶段实验曲线的一阶(负)指数拟合相关系数ρ平均为0.99162,其加速蠕变阶段实验曲线的一阶指数拟合相关系数为0.90000。较高的相关度证明坚硬岩石蠕变特性实验曲线的几何形态比较简单,采用初级函数对其进行拟合,方法简单、拟合效果好、数据处理效率高,是对岩石蠕变特性实验曲线特征进行简单描述的有效途径。     

泥岩变温蠕变试验温度修正及蠕变特性

以郓城煤矿泥岩为研究对象,进行了常温范围内泥岩变温三轴压缩蠕变试验,试验结果表明常温范围内温度对泥岩蠕变应变影响较大,对泥岩蠕变速率影响较小,进行泥岩蠕变特性分析前必须对蠕变试验结果进行温度修正。根据温度周期变化下岩石稳态蠕变试验结果,提出了常温范围内岩石蠕变试验温度修正方法,该方法能较好的辨识得到岩石的温度应变率以及岩石的稳态蠕变速率,采用该温度修正方法对泥岩变温蠕变试验结果进行了辨识和修正,结果表明常温范围内围压25 MPa条件下泥岩温度应变率约为2.80×10-5 /℃,修正后泥岩蠕变特性与西原模型相符,试样的稳态蠕变速率与轴向偏应力近似呈线性关系。     

岩石蠕变破坏实验曲线的微观阶段特征研究

通过提高岩石蠕变实验时的数据采集密度来捕捉岩石破裂的微观信息,进行了泥岩三轴蠕变实验微观破裂时间点的界定与分析。研究得到了泥岩三轴蠕变过程4分区特征：Ⅰ区斜率较大,蠕应变振动幅度较低;Ⅱ区斜率中等,蠕应变振动幅度较高;Ⅲ区斜率近乎为0,蠕应变振动幅度高;Ⅳ区的斜率由较大迅速增加至最大,蠕应变振动幅度渐进缩小至最低。发现各亚阶段蠕变率平均值与蠕变时间之间呈“降低-稳定-0-渐进增长-急速上升”规律。得到了泥岩三轴蠕变过程的区段间特征：一定的应变速率有利于岩石应变演化的相对平衡;应变速率为0的亚阶段轴向应变振幅渐进放大,岩石破裂是能量单调积累的结果;蠕变初期和加速蠕变末期的岩石变形模式比较简单。通过蠕变曲线4分区与传统蠕变3阶段的微破裂特征辨析,得到微观尺度下岩石加速蠕变阶段的多样性和稳态蠕变阶段的复杂性特点。     

分级加卸载下红砂岩蠕变破坏能量耗散特征研究

针对岩石蠕变引起的工程岩体破坏问题,分析研究了岩石蠕变过程中的能量耗散特征,并揭示岩石蠕变机理。通过分级加卸载条件下的蠕变试验,对比分析了红砂岩轴向、径向蠕变特征,研究各级加载过程中岩石弹性应变能与耗散能特征。试验结果表明:当加载应力小于岩石长期强度时,试件以轴向蠕变为主;当加载应力大于岩石长期强度时,径向等速蠕变阶段应变速率大于轴向应变速率。红砂岩在蠕变破坏过程中,总耗散能与岩石吸收总能量的比值约为0.35,并且加速蠕变阶段耗散能约为总耗散的12%,说明岩石吸收的能量大部分以弹性能的形式贮存于试件内,加速蠕变阶段的耗能远少于等速蠕变阶段的耗能。     

巷道围岩蠕变特性及非定常蠕变模型研究

为研究巷道围岩在不同围压特性条件下的蠕变特性,采用MTS812.02试验系统对取自阜新恒大煤矿的砂岩进行三轴蠕变试验。以西原模型为基础,通过引入影响损伤程度系数对蠕变模型的参数非定常化,分别对弹性蠕变、黏弹性蠕变和黏塑性蠕变进行积分求解,运用流变模型串联理论得到改进后的西原蠕变模型,将模型代入到Origin拟和软件中,采用最小二乘法对蠕变模型的参数进行识别,对试验数据和模型曲线进行对比,验证建立蠕变模型的正确性。结果表明:围压的增大,提升了岩石的蠕变承载能力,使加速蠕变启动时间延后,并且延长了岩石的破坏持续时间;当轴向荷载较小时,只有衰减蠕变阶段存在,蠕变迅速趋于稳定;当轴向荷载较大时,蠕变曲线经过先上凸后转变为直线,衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段都比较明显;当轴向荷载加大到破坏荷载时,蠕变的3个阶段都出现;围压为10 MPa和15 MPa时,岩石的轴向等时应力-应变曲线在应力水平分别在为60 MPa和80MPa时开始出现明显的发散,说明了蠕变由线性转变为非线性;建立的非定常蠕变本构模型不仅可以很好地对砂岩的蠕变三阶段进行描述,而且也弥补了西原体难以描述加速蠕变特性的缺点;试验数据和模型曲线具有较好的拟合度,说明了通过对西原体参数的非定常化改进是正确的、合理的。     

不同含水率孔周煤岩体蠕变试验及蠕变模型研究

为探究不同含水条件下孔周煤岩体蠕变特性,制作不同含水率含孔方形试样,开展分级加载蠕变破坏试验,获取蠕变加载下试样轴向应变曲线;同时基于改进西原模型,引入含水煤岩体蠕变损伤变量D_w和时效损伤变量D_t,建立不同含水率孔周煤岩体蠕变模型;对比分析试验结果和模型计算值,验证蠕变模型合理性。研究结果表明：同一加载应力水平下,所有试样进入稳定蠕变阶段的时间均在1 h左右,但干燥试样轴向应变量较小,到达加速蠕变阶段的时间也较高,表明水对煤岩体具有物理侵蚀和软化作用;所建蠕变模型参数与含水率之间呈指数关系,且模型理论曲线与试验数据曲线有较好的吻合性。     

硬脆性岩石卸荷流变试验及长期强度研究

为了进一步认识硬脆性岩石的卸荷流变行为,采用岩石全自动三轴伺服流变仪对硬脆性花岗岩进行了三轴卸荷流变试验,重点观察分析了硬脆性岩石在卸荷条件下的蠕变规律及蠕变特性,并根据试验结果对硬脆性岩石的卸荷长期强度的确定方法进行分析。试验结果表明,硬脆性岩石卸荷流变行为与加载流变不同,侧向比轴向更容易发生蠕变行为;偏应力水平越高,稳态蠕变速率越大,且二者符合指数函数关系;当应力水平超过流变阈值时,岩石进入加速蠕变阶段,并迅速发生延性扩容破坏。根据试验结果,岩石卸荷蠕变的长期强度应根据岩石稳态蠕变阶段轴向和侧向速率交点来确定,这样确定的岩石长期强度值要比传统方法确定的岩石长期强度值提升约10%的可靠度。     

考虑弹性模量退化的砂岩非定常蠕变模型

针对传统西原模型不能描述岩石加速蠕变特性的问题,根据辽宁阜新海棠山隧道出现的围岩流变现象,通过现场取样,采用MTS-812.02岩石试验加载系统对砂岩进行不同围压和不同应力水平下的三轴蠕变试验,分析其蠕变特性。在传统西原模型的基础上,考虑了岩石进入加速蠕变阶段的判别条件,串联一个加速蠕变触发的元件,通过损伤定义流变参数的非定常性,建立了一个以屈服强度和长期强度为判别条件新型非定常蠕变模型,并将一维推广至三维;结合砂岩蠕变试验结果,对砂岩流变试验全过程曲线进行模型参数拟合,结果表明：建立的新型砂岩非定常蠕变模型与试验结果具有较高的拟合度,该模型克服了传统西原模型难以描述加速蠕变阶段的缺陷,不仅能够反映出砂岩瞬时应变、稳定蠕变和亚稳定蠕变阶段的流变特性,还能很好地描述了砂岩加速蠕变阶段的流变特性。最后,通过对砂岩流变参数的反演,得到了砂岩的损伤演化方程,结合现场围岩应变监测数据对模型参数进行拟合,很好地反映了流变参数损伤劣化规律。研究成果为研究岩体流变的非线性问题和确保工程安全提供了新思路。     

基于短时三轴蠕变试验的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究一种更适合岩石短时三轴蠕变特性的蠕变模型,在对蠕变试验曲线三元件广义Kelvin模型参数识别基础上,基于加速蠕变试验特性对黏塑性模型中的黏性元件进行了非线性改进,并将得到的非线性黏塑性模型与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型.结果表明,该模型可以同时表征岩石瞬时加载应变、衰减蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变等蠕变特征.最后,基于BFGS非线性优化算法对该模型参数进行了识别,同时将模型拟合曲线与改进西原模型曲线进行了比较分析,验证了非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性.     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

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。     

不同瓦斯压力下煤岩三轴加载时蠕变规律及模型

岩石蠕变模型众多,其适用性及优缺点亟待总结,而且低瓦斯压力与煤岩蠕变间的关系尚不确定,为此,进行了低瓦斯压力下分级加载轴压时型煤蠕变实验。结果发现,随着瓦斯压力增大,型煤轴向应变增大,说明煤岩蠕变与瓦斯压力呈正相关。利用实验数据检验常见蠕变模型时发现经验函数(幂函数、指数函数、多项式等)均存在缺陷,只能拟合衰减蠕变或非衰减蠕变中的一种;Burgers模型及其改进模型均存在不足,西原模型不适用于非衰减蠕变,西原加速模型适用于砂岩,用于拟合煤岩非衰减蠕变时存在滞后性。经过优化后得到改进的西原加速模型,经证明其可靠性强。另外,提出了蠕变拐点的观点,岩石发生非衰减蠕变是蠕变曲线上至少存在1个蠕变拐点的充要条件。这不仅完善了蠕变的数学理论,而且能为预防岩石失稳破坏等工程实践提供借鉴。     

粘弹塑性冻结壁计算理论研究

通过简单应力状态下冻土蠕变试验的研究,得出两淮地区冻土蠕变可以采用维亚洛夫经验本构模型来描述;由应力强度和应变强度等弹塑性力学概念,建立复杂应力状态下冻土的粘弹性蠕变本构方程,并且采用粘弹塑性理论推导了粘弹区和塑粘区冻结壁的扩展规律,论文公式能对冻结壁应力场和位移场进行粘弹塑性分析,为冻结法凿井工程设计提供参考。     

一种基于应变能理论的加速蠕变本构模型

采用连续介质应变能理论分析蠕变宏观力学行为突变的过程,定义临界应变能密度值作为预测加速蠕变发生时刻的控制参数,采用西原正夫元件模型与Perzyna黏塑性理论相结合,考虑应力状态对加速蠕变的影响,用过屈服应力比函数反映加速阶段蠕变应变速率变化,建立了一种能描述蠕变3个阶段全过程的加速蠕变本构模型。该方法确定的加速蠕变时刻不仅能反映累积蠕变应变量的影响,而且能有效反映应力状态对加速蠕变的影响,为实现预测加速蠕变提供了可能,并且确定本构模型参数所需试验数量大大减少,为实际运用提供了方便。最后结合三轴蠕变试验,采用D-P屈服准则结合塑性流动法则,分析了不同流动法则对预测加速蠕变发生时刻的影响规律,数值模拟结果与试验数据基本吻合。     

岩石非线性拉、压蠕变模型及其参数识别

基于岩石单轴拉、压作用下加速蠕变曲线的幂函数拟合分析,推导了二元件黏塑性蠕变模型中黏性元件的非线性表达式,并将建立的非线性黏塑性模型与Burgers蠕变模型串联建立一个新的非线性黏弹塑性拉、压蠕变模型。分析显示该模型能够描述岩石在直接拉伸、压缩作用下的衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段。结合对重庆红砂岩单轴直接拉伸与单轴压缩蠕变试验结果,通过Matlab编写Quasi-Newton优化算法(BFGS)实现了岩石非线性黏弹塑性拉、压蠕变模型的参数辨识,辨识参数相关性系数平方R 2均在96%以上。将模型与修正西原模型比较发现非线性黏弹塑性拉、压蠕变模型线型吻合程度均高于修正西原模型,表现出拉、压蠕变特性的适用性,从而进一步验证了模型描述岩石拉伸以及压缩蠕变特性的正确性。     

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。