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。     

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。     

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.     

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。     

砂岩的三维非线性损伤蠕变特性

岩石的蠕变性质对预测巷道围岩失稳、保障矿山生产安全等具有重要影响,岩石蠕变本构模型的建立是研究岩石蠕变变形特性的重要依据。针对传统蠕变模型难以反映岩石的加速蠕变阶段特征的问题,提出了一种改进的西原体模型,建立了一个可变黏性系数的黏性元件,用来替代传统西原体模型中的常规黏性元件,并推导出改进后的西原体模型的本构方程和一维、三维蠕变方程。通过不同应力等级下的三轴压缩蠕变试验,采用Origin软件对该模型进行参数辨识及曲线拟合,对比分析实际试验数据与模型参数,结果表明：试验实际数据值与理论计算值吻合度均大于0.93,改进的西原体模型能够准确描述岩石加速蠕变阶段的特征,验证了该模型的正确性和适用性,具有重要的理论意义。     

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。     

FLAC3D中岩石能量耗散模型的开发与应用

岩石破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象,从能量角度描述岩石强度及变形行为是评价工程岩体安全和稳定性的有效途径之一。为增加能量理论模型分析工程问题时的适用性,准确描述工程岩体变形破坏全过程能量实时演化及分配规律,利用GCTS岩石力学试验系统,开展了常规单、三轴力学试验,结合能量守恒和有限差分理论,推导了岩石弹性能和耗散能的有限差分方程式,采用FISH语言编制了能量耗散模型的有限差分程序,实现了对FLAC~(3D)应变软化模型的二次开发,补充了软件能量计算模块。通过不同围压下岩石室内试验和数值模拟结果对比分析得到:开发的能量耗散模型能有效描述岩石峰后变形特征及破坏路径,可用于研究工程岩体峰后大变形行为,但对峰前压密和塑性变形阶段的描述需谨慎。利用开发模型进一步讨论了深部巷道变形破坏全过程围岩耗散能演化规律,结果表明围岩耗散能集中区与巷道主破坏位置基本吻合,依据耗散能密度可量化巷道围岩压剪破坏程度,评估峰后损伤围岩稳定性,有效弥补了传统采用塑性区定性判别巷道围岩变形破坏及其稳定性时的不足。岩石能量耗散模型在FLAC~(3D)中的应用,扩展了软件适用范围,研究成果不仅可准确定位工程岩体主破坏位置,同时依据耗散能分布密度可量化评估围岩稳定性,为巷道大变形预测预报及加固方案设计提供了一条新途径。     

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.     

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。     

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。     

基于应变能的岩石黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型及应用

在Perzyna黏弹塑性理论的基础上,引入基于应变能理论的岩石细观单元强度损伤模型,同时考虑岩石蠕变过程中蠕变速率随时间变化的特性,构建了能描述岩石从初始蠕变、稳定蠕变到非线性加速蠕变整个蠕变过程的细观黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型,并将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D)中,通过实验数据验证该模型的正确性。应用该模型进行不同轴向应力、不同围压和不同均质度系数条件下的单、三轴压缩蠕变过程数值实验,结果表明:① 轴向应力提高增加了蠕变速率,因此减少了蠕变失效时间;② 围压和均质度系数的增加降低了蠕变速率并增加了蠕变失效时间,较好的再现了典型的实验现象。将该模型用于解释煤矿中“蠕变型”冲击地压的力学机理,较好的反映了煤矿巷道开挖后弹性应变能累积,围岩经历稳定蠕变和加速蠕变的损伤破坏过程,可为岩体工程的长期稳定性研究提供分析工具。     

基于西原加速模型的煤岩蠕变试验研究

西原模型能很好的模拟初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段,但却不能描述加速蠕变阶段。为了描述加速蠕变阶段,通过改变已有西原模型的时间参数,得出另一种模型(根据该模型的特点命名为西原加速模型),并由理论推导出其表达式。通过煤样的单轴压缩蠕变实验,取得相关实验数据,然后利用数值分析软件Matlab将实验所得数据与理论研究结果进行拟合分析,得出其吻合程度较高,说明该模型能很好的反映实际情况,并弥补了西原模型不能够反应蠕变第3阶段的不足。     

基于扰动因子的软岩扰动蠕变本构模型

动力扰动下处于极限强度的深井软岩巷道围岩具有流变变形量大,变形速率快的变形特征,致使软岩巷道支护困难和灾害频发。为了研究软岩在动力扰动下蠕变破坏特征及本构模型,通过自主研制的岩石扰动蠕变实验系统对泥页岩进行了分级加载流变实验,试验结果表明:非稳定蠕变曲线在扰动前后流变变形明显不同,当施加应力水平较小时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),每次扰动的瞬间会使岩石应变突变,但突变值随后逐渐回弹,最终岩石变形速率趋于一个稳定值;当应力水平较大时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),岩石经过多次扰动后,当积累能量达到岩石破坏能量时,诱使岩石发生加速流变,而原处于蠕变第Ⅲ阶段的岩石的蠕变速率加快,缩短了岩石破坏的时间。基于岩石扰动状态理论,提出一个以扰动能量和扰动次数为自变量的扰动因子函数,以它为权重函数与NRC模型有机结合,建立了软岩流变扰动效应的本构模型并对模型参数进行识别,结果表明理论曲线与实验曲线吻合较好,验证了该模型能够正确性地描述动力扰动下软岩蠕变特征,该成果对于深部地下工程的稳定性研究具有参考价值。     

基于改进的Poyting-Thomson蠕变损伤模型研究

针对原Poyting-Thomson模型不能很好地反映软岩受载蠕变过程中的加速蠕变阶段问题,在原Poyting-Thomson模型的基础上,串联了一个非线性元件,依据能量损伤理论中弹性模量的变化定义损伤变量,构建了一个在软岩受载时,能描述软岩全蠕变变形特征的新蠕变模型,并通过对砂岩的单轴压缩实验来验证构建出的模型的合理性。研究表明,以砂岩试件蠕变时间35 h为分界点,35 h前实验蠕变曲线处于衰减与等速蠕变阶段,35 h后实验蠕变曲线处于加速蠕变阶段,采用ORIGIN绘图软件分别对2个阶段进行模型函数拟合,得出了拟合曲线能够较好地吻合实验蠕变曲线,函数拟合精度高,证明了该模型的合理性。     

泥质页岩注浆结石体的蠕变特性试验研究

在分析已有软岩蠕变机制成果的基础上,为了研究软岩注浆结石体的蠕变特性,分析了不同荷载水平以及不同含水条件对泥质页岩注浆结石体蠕变特性的影响。试验结果表明:1)在相同含水率状态下,蠕变变形随着荷载水平的增加而增大;软岩注浆结石体不同蠕变特性曲线间的转换存在一个荷载阈值,当荷载小于该阈值时,蠕变为稳定蠕变,大于该阈值时试样进入加速蠕变且短时间内直接破坏。2)在相同荷载水平下,随着含水率的增加,蠕变变形逐渐增大且变形增长速率较快。低应力等级下含水率对注浆结石体的蠕变特性影响较大,而高应力下的影响相对较小。3)Burgers模型可以较好地描述注浆结石体的蠕变特性。     

循环载荷下煤样能量转化与碎块分布特征

煤矿开采中煤体常处于反复加卸载过程,研究煤体在不同加载速率重复载荷作用下的能量转化与破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。利用MTS815.03伺服实验系统,通过单轴循环加卸载试验,结合能量和分形理论,获得了不同加载速率下煤样变形破坏各阶段能量积聚、耗散和释放的转化机制及其与煤样碎块块度分布规律的内在关系,为开展重复载荷作用下煤岩破裂响应及破坏机制的研究提供依据。试验结果表明:煤样能量转化具有明显的阶段性特征,可分为能量初始积累阶段、能量加速积累阶段和能量快速耗散阶段。煤样破坏前耗散能所占比例经历了高—低—高的过程,而弹性能则相反,加载后期弹性能比例下降或耗散能比例的升高,预示着煤样进入加速破坏阶段;能量集聚和释放与加载速率密切相关,随着加载速率的增大,峰值前弹性能所占比例逐渐增加,煤样破坏前更多的能量以弹性能形式储存在煤样体内,岩石破坏后,更多的能量被释放出来,煤样破坏越剧烈,其宏观破坏形态由剪切张拉和劈裂破坏向弹射破坏过渡;循环加卸载下煤样碎块分形特征具有明显的分段性,在小于尺寸阈值范围内具有较好的自相似性特征,不同加载速率下碎块分形维数为2～3,且随加载速率的增加成线性增长;加载速率越大碎块分形维数越大,煤样破碎程度越高,大块碎块所占比例越小,煤样碎块越破碎且单块碎块质量越小,煤样发生动力灾害的危险性越大。     

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。     

富水软岩的蠕变特性实验及非线性剪切蠕变模型研究

富水软岩巷道变形速度快,变形量大,巷道支护困难,建立描述该类软岩特性的流变模型是解决该问题的关键。通过不同含水率软岩的直剪蠕变试验表明:在同一剪应力水平下,随着含水率的上升,软岩瞬时弹性模量、极限变形模量和黏滞系数将下降,蠕变速率先增大后减小,加速蠕变的破坏时间缩短;在同一含水率条件下,随着剪切应力的增加,软岩瞬时剪切位移量、蠕变变形量和衰减蠕变段的曲率半径都逐渐增大。依据含水软岩蠕变的非线性特征,建立了能够描述含水软岩蠕变特性的非线性剪切流变模型,基于BFGS算法和通用全局优化法对模型参数进行识别,识别结果与试验曲线吻合较好,表明所建模型的正确性和合理性,该成果可为深部复杂地质力学环境下的富水软岩巷道稳定性研究提供参考。