渗透水/气压反复循环下软岩剪切蠕变试验及本构模型研究

为探究软弱夹层在雨水反复作用下的剪切蠕变特性，以西南地区二叠系炭质页岩软弱夹层为研究对象，利用实时渗透水/气压循环剪切试验系统，开展了渗透水/气压循环剪切蠕变试验，分析了软弱夹层的剪切蠕变特性和长期强度劣化机理，并建立了考虑Weibull分布的蠕变损伤本构模型。结果表明：1）软弱夹层具有明显的蠕变特性，随渗透水/气压循环次数的增加，破坏前剪切变形逐渐增大，破坏时呈现出韧性与脆性两种不同的破坏形式；2）随渗透水/气压循环次数的增加，软弱夹层的劣化程度呈增大趋势，但最终趋于一定值，其劣化程度可用函数Di=0.7717×[1-exp（- 0.1n）]来表示；3）基于试验数据，提出了基于Weibull分布理论的损伤黏塑性元件，构建了渗透水/气压循环蠕变损伤模型，模型能够很好地描述软弱夹层蠕变的三阶段。研究成果对含软弱夹层的高陡边坡长期稳定性分析具有重要指导意义。     

渗透压作用下黄山石灰石矿区炭质泥页岩剪切蠕变特性分析

针对西南地区二叠系软弱夹层在降雨反复作用下蠕变效应明显等问题，以四川省黄山石灰石矿区炭质泥页岩为研究对象进行渗透压作用下的剪切蠕变试验，得到其剪切蠕变试验曲线，通过分析其蠕变特性以及非线性破环规律，基于传统的西原模型，提出了一种能同时描述炭质泥页岩黏弹塑性特性的非线性蠕变模型，并利用该模型进行剪切蠕变参数辨识，结合FLAC3D数值模拟计算，研究了炭质泥页岩变形破坏特征，对比分析了室内试验结果和数值模拟结果，数值模拟结果证实了室内试验的可靠性以及本构模型和参数选取的合理性。研究结果表明：在渗透压、法向压力以及剪切应力的作用下，炭质泥页岩试样经历了完整的蠕变三阶段；改进的西原模型能够很好地拟合炭质泥页岩蠕变的三个阶段，对加速蠕变阶段的拟合效果也很好；运用FLAC3D软件对室内剪切蠕变试验进行计算得到的数值模拟结果与实际结果相吻合。     

基于分数阶微积分理论的泥岩蠕变损伤本构模型

泥岩在吸水膨胀时,其各力学参数均会发生明显变化。建立泥岩分数阶损伤蠕变模型结构图,引入描述岩石损伤程度的损伤变量,当应力水平超过岩石的长期强度时,在泥岩加速应变率加载情况下,建立基于分数阶微积分理论的非线性蠕变损伤模型,基于蠕变模型建立加速应变率加载情况下的泥岩蠕变本构模型。通过本构模型得到,在加速蠕变阶段,应变与时间呈指数函数关系。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明,分数阶β为岩体固有参数并且能够反映岩体硬度,在加速蠕变阶段,分数阶损伤蠕变本构模型能够较好地描述泥岩蠕变的应力—应变关系。     

无烟煤蠕变模型及FLAC3D二次开发

蠕变模型的加速蠕变阶段可引入分数阶Abel阻尼器进行表征。为了更加准确地描述无烟煤蠕变模型的加速阶段,引入陀螺元件及位移阶跃函数,通过设计完成无烟煤三轴蠕变试验,结合试验曲线将无烟煤蠕变阶段细分为瞬时变形—假加速—减速—等速—加速蠕变五个阶段。各阶段模型采用合适的元件进行组合,构成组合分数阶蠕变模型,对模型一维本构方程进行三维扩展,并将模型方程进行有限差分化;在FLAC3D内置Burgers本构模型的基础上,完成组合分数阶蠕变模型(NEGS)的二次开发;数值模拟结果对比分析表明,组合分数阶蠕变模型(NEGS)能较好地表征无烟煤各蠕变阶段的变化特征。     

煤矿软弱夹层特性分析及本构模型研究

软弱夹层作为一种十分不利的地质现象,是影响围岩稳定性的重要因素,是水利、煤矿等工程建设的重要安全隐患。在分析软弱夹层成分组成、厚度等物理化学特性以及强度低、易泥化等力学特性的基础上,进一步分析了软弱夹层在流变渗透等情况下的本构关系,论述了煤矿中常见软弱夹层力学性质的测试,结合矿山岩体力学中的本构理论,建立了软弱夹层的本构模型,完善了软弱夹层的理论研究,并在此基础上进行了典型锚杆支护巷道含软弱夹层顶板的失稳状况分析。     

考虑软弱夹层蠕变特性的某矿山边坡稳定性研究

为研究软弱夹层的存在状态对岩土体强度变形特性的影响，选用PFC3D离散元软件进行不同条件下的复合岩样标准三轴试验模拟，深入分析其强度变化规律及变形破坏特征；借助FLAC3D软件建立了依托实际工程的三维模型，选用考虑蠕变特性的Burgers模型，对露天矿山边坡的稳定状态进行深入分析，得到如下结论:（1）软弱夹层的倾角、厚度、层数等参数均对复合岩样的强度有显著影响；（2）随着夹层倾角增大，三轴试样产生大量剪切裂缝；随着夹层厚度增大，三轴试样由剪切破坏向张拉破坏转变；随着夹层层数增加，三轴试样呈现中间部位的张拉破坏；（3）当考虑露天矿山软弱夹层的蠕变特性时，其强度折减系数为1.16，比不考虑蠕变特性降低了约10%，可为实际工程提供更高的安全存储。     

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.     

温度场作用下深部巷道围岩流变特性的数值模拟分析

基于PWIPP本构模型,利用FLAC3D软件对温度场作用下的深部巷道围岩的流变变形规律进行模拟分析,从而为实际工程应用提供参考.     

软岩巷道爆破损伤效应数值模拟研究

采用摩尔-库伦模型对基于FLAC3D用户自定义本构模型二次开发的动力损伤本构模型进行了动力计算;现场声波对巷道顶底板围岩进行了波速测试。结果表明:摩尔-库伦模型不适合用来模拟围岩的动力损伤效应,而采用二次开发的动力损伤模型得出的结果与现场实测结果较为吻合。     

分级循环加卸载作用下脆性岩石损伤特性分析

以砂岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究脆性岩石在分级循环加卸载作用下的损伤特性和演化规律。基于试验结果,定义了损伤值,推导出适用于加载阶段和卸载阶段的损伤本构模型。研究结果表明:提出的循环加卸载下的岩石损伤本构方程与试验应力应变曲线拟合度比较高,证明了其合理性和适用性。该损伤本构模型和定义的损伤值可以正确地反映出岩石的损伤演化过程,能够描述岩石破坏的各个阶段。参数敏感性对本构模型有不同程度的影响。     

饱和尾粉砂边界面模型在FLAC3D中的开发

由于岩土材料的复杂性，FLAC3D软件自带的本构模型不能满足实际数值分析的全部要求。利用FLAC3D预留的UMD接口，在C++的编译环境下实现了一种基于临界状态模型CASM边界面模型的开发。介绍了边界面模型的基本组成，给出了开发的关键步骤。并基于三轴试验结果，利用该模型对饱和尾粉砂静/动力学特性进行了分析，论证了该模型对饱和尾粉砂的适用性。     

软弱夹层层位对巷道围岩稳定性的影响

为了研究软弱夹层层位对巷道围岩稳定性的影响,运用FLAC3D程序进行数值模拟,分析了处于不同软弱夹层层位中巷道的围岩应力、位移变化规律。研究表明,在6种不同软弱夹层层位的组合模型中,布置在模型1和5层位中的巷道变形、应力集中程度等均较小,受软弱夹层影响较弱,且当侧压系数不同时,布置在模型5层位中的巷道更加稳定,受软弱夹层影响最小。     

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤本构模型研究

在Mohr-Coulomb准则及岩石微元强度服从对数正态随机分布的基础上,结合岩石三轴应力应变试验曲线,建立了能反应岩石破裂全过程的三维损伤本构模型.在此基础上重点研究了对数正态分布参数对岩石损伤统计本构模型的影响,从而寻找出分布参数与围压σ3的关系.研究结果表明该模型形式简单、参数容易获得、与试验数据符合程度较好.依据该模型理论,在VC++开发环境中为FLAC3D开发出数值计算所需的本构模型动态链接库,然后采用该本构模型进行数值计算,将数值计算结果与理论结果和试验结果进行对比,结果表明开发的本构模型具有一定的合理性,为同类工程应用奠定了基础.     

分级循环加卸载作用下煤岩损伤本构模型研究

以煤岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究煤岩损伤力学特性;应用Weibull统计分布函数,并引进损伤变量D,基于煤岩微元体强度符合Mises屈服准则,建立了适用于煤岩加卸载阶段的损伤本构模型;根据试验数据,采取非线性拟合的方法确定各循环等级的模型参数值,分析了模型参数的物理意义。研究结果表明:基于Mises屈服准则建立的损伤本构模型能够准确反映煤岩分级循环加卸载下的应力-应变关系;随着加卸载等级的提高,残余应变逐渐积累,弹性模量先增大后减小,滞回环形状表现为"胖"-"瘦"-"胖"的特点;本构模型参数具有明确的物理意义。     

深部砂岩力学特性试验与本构模型

为深入探究岩石强度劣化特性对深部开采工程稳定性的不利影响。以红庆梁深立井工程为背景,对现场砂岩岩样开展不同围压条件下三轴压缩试验,结合Mohr-Coulomb强度理论研究了砂岩应力-应变、强度与变形等特征;基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点,推导出砂岩损伤软化本构模型,探讨了模型参数F_0和m与围压的函数关系,结合模型参数对模型的影响及砂岩应力-应变曲线变化特点,采用非线性拟合方法对模型参数进行修正,最后得到修正的损伤软化本构模型;利用FLAC~(3D)对修正后的本构模型数值求解,将理论计算结果与砂岩全应力-应变曲线对比验证;通过构建马头门硐室围岩数值模型对修正后本构模型进行工程应用,并分析了数值计算结果的合理性。结果表明:①砂岩变形参数对围压敏感度较低,强度参数受围压影响较大,不同围压条件下,当应力达到峰值后,砂岩呈现出明显的应变软化特性;②通过FLAC~(3D)数值验证结果可知,损伤软化模型理论计算应力-应变曲线与试验曲线高度吻合,说明模型具有较高的真实性,能反映砂岩在复杂应力状态下的破坏全过程;③利用数值模拟方法对深部马头门硐室围岩与支护结构破坏规律分析表明,在拱顶及拱肩位置较易出现塑性剪切破坏,并且与实际工程中支护结构破坏位置及范围基本相同。     

矿山边坡软弱夹层赋存状态及蠕变特性对边坡稳定性影响研究

含软弱夹层的露天矿山边坡是一种广泛存在的地质体,其弱强度的夹层岩土体更易导致边坡发生滑坡失稳。然而,目前对含缓倾软弱夹层矿山边坡的研究不够系统深入,且缺乏对其的长期稳定性分析研究。本研究依托某典型的含缓倾软弱夹层露天矿山边坡,系统分析了软弱夹层赋存状态多因素影响下边坡的位移变形演化规律及破坏模式;借助能描述软弱夹层蠕变特性的 Burgers 本构模型,深入探讨了含软弱夹层矿山边坡的长期稳定性。研究结果表明：弱强度参数的缓倾软弱夹层对边坡稳定性也会产生显著影响,软弱夹层的倾角和埋藏深度会明显影响边坡滑裂带位置,且在临界破坏时沿软弱夹层形成完整的贯通滑面;软弱夹层的蠕变特性降低了边坡的长期稳定性。研究成果将为分析此类矿山边坡的工程问题提供借鉴。     

钽铌矿尾砂胶结充填体力学特性及损伤规律研究

为了研究钽铌矿尾砂胶结充填体物理力学特性与损伤演化规律,在RMT-150C岩石力学试验系统上分别对3组不同质量分数(68%,72%,76%)的钽铌矿尾砂胶结充填体试件进行了单轴压缩和劈裂破坏力学试验;获取充填体试件各种力学参数,得到了充填体试件应力-应变关系曲线,详细分析了充填体试件整个试验过程的破坏机理,推导并构建了3组不同质量分数的充填体试件损伤本构方程和损伤演化方程。试验结果表明:充填体试件质量分数越大,拉压强度和弹性模量越大,而泊松比却越小;不同质量分数的充填体试件在峰值应力时,其损伤程度不同,质量分数越大,损伤越大;在峰值应力前,充填体试件损伤扩展较为缓慢;峰值应力后,质量分数越小,损伤扩展越快。基于应变等价原理建立的尾砂胶结充填体单轴压缩状态下的损伤本构方程与损伤演化方程能够较好地描述充填体试件的损伤演化规律和破坏过程,且由本构模型建立的理论曲线与通过试验拟合得到的曲线吻合度较好。研究结果对钽铌矿尾砂充填采空区确保矿山安全生产具有一定的工程指导意义。     

剪切载荷作用下岩体结构面动态接触特征数值模拟

准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础.首先,通过FISH语言修正了FLAC3D软件自带的INTERFACE本构模型,使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为;然后,采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究,分析了法向应力和结构面粗糙度...     

基于统一强度理论的岩石统计损伤软化本构模型及其参数研究

假设岩石材料的损伤服从三参数Weibull分布,首先引入损伤阀值的思想,建立岩石统计损伤演化模型;其次,基于统一强度理论和Lemaitre应变等价性假设,引入Lode参数,建立一种可以考虑中间主应力的岩石统计损伤软化本构模型,并推导出模型参数的解析解;最后,通过与试验结果进行对比,验证了所建立的统计损伤本构方程及其参数确定的合理性。研究结果表明:该本构模型参数获取简单,能够较好地反映岩石的偏应力-应变关系,尤其是各级围压下的岩石损伤初始点和峰后应变软化特性。     

裂隙岩体本构模型及数值模拟研究与应用

基于莫尔-库仑理论模型,结合裂隙岩体损伤力学方法,研究岩体中裂隙的出现、扩展从而实现岩体局部破坏的本构关系及演化方程,同时在FLAC3D提供的二次开发程序接口基础上,采用VC++程序语言实现了自定义本构模型,并将其编译成动态链接文件进行加载与调用。将此本构模型应用于一实际巷道的开挖围岩稳定分析中,得到塑性区、位移场、应力等值线分布与莫尔-库仑模型计算结果分布相符合,从而进一步验证了模型的适用性和可靠性,这为工程的实际应用提供了一种方法。