非定常西原黏弹塑性流变模型的应用研究

 在西原模型的基础上,引入非线性Bingham黏塑性元件与Kelvin元件,建立能完整反映蠕变全过程的非定常西原黏弹塑性流变模型。当岩石处于高应力状态时,其黏塑性流变参数随时间呈非线性变化。根据ABAQUS的UMAT格式要求以及非定常西原黏弹塑性流变模型的平面应变(应力)有限元理论,编制相应的黏弹塑性流变模型程序。数值试验结果表明,所建立的非线性黏弹塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下岩石的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石边坡进行流变数值分析,在较大堆载下,边坡顶点进入加速蠕变阶段,达到破坏状态;中点和底点处于低应力状态,为黏弹性阶段,位移趋于稳定。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。     

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识.以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究.先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法.然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分.并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法.最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例.     

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

 基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC++编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。     

深埋长大隧洞围岩非定常剪切流变模型初探

 针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞(埋深2 525 m,长19 km,宽13 m)围岩在开挖与运营过程中呈现出显著的流变劣化特征,采用CSS–283双向万能实验机,对含硬性结构面的大理岩进行剪切流变特性的实验研究,分析岩石黏弹变形随应力水平不同和时间发展的变化规律;在对实验数据和定常流变模型本构关系深入分析的基础上,引入与时间有关的非确定参数,提出一种非定常流变模型,并建立其在一维情况下蠕变方程;通过对定常流变模型理论、非定常流变模型理论和流变实验结果的比较表明,考虑参数时间相关性的非定常黏弹流变模型比定常黏弹流变模型更为准确地反映了岩石的黏弹性变形性能。研究结果是对岩石非定常流变模型研究的一种初探,并对锦屏二级水电站深埋长大隧洞工程有重大的参考价值。     

循环加卸载下煤的黏弹塑性蠕变本构关系研究

 基于岩石三轴循环加卸载蠕变试验,对试样的蠕变应变进行有效的黏弹塑性应变分离,根据试样的弹性蠕变特性和塑性蠕变特性分别建立相应的蠕变模型,继而得到岩石的黏弹塑性蠕变模型,该模型能较好地描述试样的衰减和稳态蠕变特性。为了能够较好地描述岩石加速蠕变特性,在塑性蠕变模型中引入损伤因素,建立相应的弹塑性损伤蠕变模型,对该模型参数进行敏感性分析,同时给出模型参数确定方法。所建模型黏弹塑性概念清晰,模型参数较少。对煤进行三轴循环加卸载蠕变试验,分析蠕变试验中煤样的弹塑性应变特性以及试样的稳态蠕变速率演化规律,用该黏弹塑性蠕变模型对煤样的三轴压缩蠕变试验结果进行拟合,结果表明,该模型能很好地描述循环加卸载路径下试样的弹塑性加载和弹性卸载蠕变特性。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

分级加卸载条件下软弱复杂矿岩蠕变规律研究

采用集众优点于一体的分级增量循环加卸载方式，对金川有色金属公司Ⅲ矿区软弱复杂矿岩进行蠕变试验，试验数据按可恢复的瞬时弹性应变与滞后黏弹性应变，以及不可恢复的瞬时塑性应变与黏塑性应变进行分析，得出软弱复杂矿岩黏弹塑性特性的基本规律。在对试验数据深入分析和对比研究的基础上，将Burgers黏弹蠕变模型与Molar-Coulomb准则相结合，形成新的黏弹塑性模型，以研究复杂条件下软弱岩石的变形特性，并编制改进的Burgers蠕变模型试验数据处理程序，对模型参数进行拟合和加权平均取值。试验结果表明，金川Ⅲ矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合，改进的Burgers蠕变模型能较好的描述岩石的蠕变特性。     

岩石弹黏塑性流变试验和非线性流变模型研究

采用分级增量循环加卸载和单级加载方式,对金川有色金属公司 III 矿区二辉橄榄岩试样进行弹黏塑性流变试验,在对流变试验数据进行深入分析基础上,详细研究该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特性,将衰减蠕变曲线分离为黏弹性分量与黏塑性分量,研究各衰减蠕变变形分量的非线性特征,建立定常流动速率及加速蠕变率的应力、时间的拟合函数.根据不同应力水平下的加、卸载蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、黏塑性改进Bingham体串联而成的新的岩石非线性弹黏塑性流变模型,对模型参数辩识,提出非线性元件参数的确定方法.该流变模型具有两个屈服极限且流变元件参数是关于应力和时间的拟合函数,考虑了衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段的非线性特征,能反映不同应力水平下岩石流变规律,尤其能较合理地模拟岩石加速蠕变,从理论上给出非线性弹黏塑性流变模型的松驰方程和三维蠕变方程.利用不同应力水平下岩石蠕变全程试验曲线,对提出的非线性弹黏塑性流变模型进行充分验证.试验曲线与非线性流变模型理论曲线较吻合,显示所建非线性弹黏塑性流变模型的正确性与合理性.     

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。     

辉绿岩非线性流变模型及蠕变加载历史的处理方法研究

 分级加载的流变试验方法采用单个岩样进行试验,可避免岩样离散性对流变变形的影响,但后级载荷的变形量包含前面各级载荷产生的蠕变变形,很容易引起混淆。详细分析流变介质对加载历史的记忆效应,并给出考虑加载历史的蠕变数据处理的具体步骤和数学依据。同时,对大岗山水电站坝基辉绿岩三轴流变试验曲线进行整理,分析其典型的流变特性。根据不同应力水平下的蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、非线性黏塑性体串联而成的岩石非线性黏弹塑性流变模型。该流变模型通过引入非线性黏塑性体可以描述岩石流变的减速、等速特别是加速蠕变阶段。推导非线性黏弹塑性模型的三维蠕变方程,利用不同应力水平下岩石蠕变试验曲线,对流变参数进行反演。结果表明,非线性流变模型计算曲线与试验曲线较吻合,证实所建模型的正确性与合理性。     

基于位移反分析的围岩蠕变本构模型参数确定方法

针对隧道围岩蠕变参数难以确定的研究现状,在充分调研各类岩石蠕变本构方程的适用条件的基础上,选取适用于依托工程实际地质状况的蠕变本构方程。采用位移反分析的计算方法,根据现场调查所得隧道围岩监控量测数据进行参数反演,得到了典型断面所在围岩段的围岩蠕变本构方程,并进行了参数验证,结果显示计算模型所得围岩变形值与实测数据误差较小,说明了本构方程的可靠性。该计算方法思路清晰,操作简便,较为准确地反映了岩石的蠕变过程,以期对岩石蠕变参数的确定方法产生一定的参考价值。     

Triaxial creep tests and back analysis of time-dependent behavior of Siah Bisheh cavern by 3-Dimensional Distinct Element Method

Time dependent effects or creep behavior of rocks has great importance in further development of knowledge in the field of rock mechanics. An increase of pressure on support system due to creep behavior of rock is one of the most important issues in underground structure with weak surrounding rock mass. In this contribution a time-dependent behavior analysis of Siah Bisheh pumped storage powerhouse cavern with complex geometry being under construction on the Chalus River at the north of Iran were investigated. The cavern surrounded rocks containing Shale, Limestone, Sandstone and igneous rock in major parts is located in Alborz Structural Zone. The cavern is being built in a region that is highly prone to sheared and faulted zones. Therefore, it is essential to analyze and design underground structures to prevent any serious long-term damages in this region. The rock mass may exhibit continuous or discontinuous deformations due to excavation of large underground openings; therefore, deformation include shearing of joints and creep deformation of rock material. Because of the fractured and jointed rock mass, the Discrete Element method used to back analysis the time-dependent behavior of the Siah Bisheh cavern. In addition, triaxial creep tests were performed on rock specimens in order to estimate the time-dependent behavior of rock around the cavern. The creep tests and in situ measurements were employed to estimate parameters of power constitutive creep model being able to model the primary and secondary creep regions of rock masses implemented in the 3-Dimensional Distinct Element Code. Simulation results show good agreement with monitoring data. By excavating the lower stages of the cavern, some instantaneous deformation occurs in displacement-time curve of the crown.     

高温三维应力下花岗岩三维蠕变的模型研究

 采用中国矿业大学的“20 MN高温高压岩体三轴试验机”进行高温三维应力下大尺寸f 200 mm×400 mm鲁灰花岗岩蠕变特性的试验研究,温度最高达600 ℃,轴向应力最高达175 MPa。研究发现：(1) 三维应力条件下鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变变形均可划分为：瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。(2) 高温三维应力条件下,鲁灰花岗岩试样的体积、长度和半径随蠕变时间的增加出现增长,这是因为热破裂引起岩石的内部产生了大量的微裂纹,同时还发现试样的侧向比轴向变形增长的速度变形快。(3) 以试验结果为依据将静水应力引发体积蠕变,差应力引发轴向蠕变作为三维应力状态下黏弹塑性问题的假设,导出三维应力条件下Burgers体模型体积蠕变的本构方程。(4) 通过对蠕变曲线的分析发现,可以用Burgers体模型来模拟鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变,并且求出模型的参数。     

裂隙花岗岩各向异性蠕变特性研究

 由于岩石的非均质性、裂隙的存在以及所处地质环境的复杂性,岩样在蠕变破坏过程中通常表现出各向异性的特点。为了描述岩石的这种各向异性蠕变性质,在经典弹黏塑性理论的基础上,提出黏塑性流动系数张量表达式,建立岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型,将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模型中,开发岩石蠕变过程分析的三维弹黏塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D-EVP),建立非均质岩石蠕变破坏过程的分析方法,该方法通过常规三轴数值试验来确定细观单元的强度和变形参数,通过蠕变试验确定其黏塑性流动系数,克服岩石力学模拟中“数据有限”的瓶颈问题,并通过对甘肃北山核废物地下处置候选场址的裂隙花岗岩三轴蠕变试验验证该模型和分析方法的正确性,合理地描述裂隙花岗岩在渗流–应力作用下产生各向异性的宏观现象。     

单裂隙砂岩蠕变模型参数时间尺度效应及颗粒流数值模拟研究

深部高应力环境下硬岩的蠕变变形不可忽略,尤其是裂隙岩体的蠕变变形。为研究含裂隙硬岩的长期蠕变变形行为及蠕变模型,采用高速水射流技术在红砂岩试样中预制了一条贯穿的α=45°单裂隙。确定了该裂隙岩石在围压30 MPa下的三轴压缩强度,采用单级加载方式对试样进行长期压缩蠕变试验,蠕变应力水平约为峰值偏应力的80%。试验结果表明:经历539 h(约22 d)的含45°单裂隙红砂岩只出现衰减和稳态蠕变变形,未发生加速蠕变破坏。为描述裂隙岩石的蠕变变形,在Burgers模型基础上基于有效应力原理建立了考虑损伤的蠕变模型。通过最小二乘法得到的蠕变模型参数显示出显著的时间效应,据此提出了考虑时间尺度的损伤蠕变模型,该模型可以描述裂隙岩石在不同时间尺度下的蠕变变形。最后,采用颗粒流程序PFC~(2D)对试样的三轴压缩及蠕变进行了数值模拟,数值计算结果与试验结果吻合程度较高。研究工作为进一步研究裂隙硬岩的蠕变变形和模型提供了一定的参考价值。     

基于内变量热力学的岩石蠕变与应力松弛研究

 蠕变变形和应力松弛是岩石材料固有的时效特性,与岩石工程的长期稳定性密切相关。基于Rice不可逆内变量热力学理论对岩石蠕变和松弛本质上的一致性问题进行了研究。给定余能密度函数和内变量演化方程建立基本热力学方程,通过不同约束条件构建黏弹–黏塑性蠕变和应力松弛本构方程。黏弹性本构方程具有普遍性,能包含经典元件组合模型的黏弹性本构方程;黏塑性本构方程考虑材料变形过程中的硬化效应,更加符合实际情况。蠕变和松弛是岩石材料在不同约束下的外在表现,但两者具有相同的非平衡演化规律,本质上具有一致性。蠕变与应力松弛本构方程基于相同的基本热力学方程,可以相互转化,且方程参数相同,因此可以通过蠕变方程和蠕变试验结果对材料的松弛特性进行分析。最后通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验和应力松弛试验对这一思想进行了验证。     

二维粘弹性问题反分析计算的统一模型

本文就地下工程中二维平面应变问题提出了反演确定洞室围岩初始地应力及其粘弹性参数的统一方法,用五种常见的描述岩土体变形性态的粘弹性模型的参数作反演计算.文中在描述岩土体材料的粘弹性性态的本构方程用统一公式表示,通过论证提出了依据现场量测信息对初始地应力和围岩粘弹性参数进行反演计算的原理、方法和公式,包括可据以进行线弹性反演计算的数值法方程,以及可用于确定围岩粘弹性参数的反演计算方程等.此外,文末还通过算例验证对所提方法的适用性进行了论证.     

节理岩体黏弹塑性流变破坏模型研究

 针对岩块与节理面的黏弹塑性流变破坏模型问题开展研究。首先提出流变瞬时强度概念,以此为基础建立岩石和节理面的非线性黏塑性流变破坏模型的一般形式,并以岩石单轴压缩蠕变破坏试验为例,分析模型描述黏塑性变形破坏的特点。然后,建立岩石完整的黏弹塑性流变破坏模型,分析其描述蠕变和松弛的特性;研究参数 对于调节岩石流变破坏过程的作用,显示模型模拟脆性–延性流变破坏的特点。与大理岩单轴压缩蠕变破坏试验进行对比,结果表明提出的模型与试验结果吻合很好,可以很好地反映岩石蠕变破坏过程。进一步对节理面的黏弹塑性流变破坏模型进行讨论,并与灌水泥浆大理岩节理的剪切蠕变试验对比,结果表明模型也能很好地反映节理面蠕变破坏特点。最后,将建立的流变破坏模型应用于大岗山引水隧洞的流变破坏分析,确定其流变破坏过程和流变破坏时间,可为进一步喷锚支护设计提供依据。针对岩石和节理面所建立的黏弹塑性流变破坏模型概念明确,能正确模拟岩石和节理面的流变破坏过程和判断破坏时间,且参数为常规试验所得,将具有良好的应用前景。     

An associated elastic–viscoplastic constitutive model for sandstone involving shear-induced volumetric deformation

In contrast to hard rocks, weak rocks often have significant shear-induced volumetric contraction/dilation under short-term or long-term loadings, and this behavior necessitates the development of an unconventional constitutive model. As such, an elastic–viscoplastic constitutive model characterizing the mechanical behavior of weak rocks is proposed, and its validity is demonstrated by comparing the simulated and the actual deformational behaviors of weak sandstone under various stress paths. In order to distinguish the immediate and the time-dependent deformation, the procedures involving multi-stage loading–unloading and creep tests, together with controlled pure-shear stress path, have been undertaken to clarify the deformation behavior of sandstone. Through these experimental procedures, elastic and viscoplastic deformations can be effectively separated, and the coupling between shear stresses and volume stresses can also be identified. Consequently, it is found that the function form of yield surfaces can also be applied to plastic potentials and viscoplastic potentials so that the complexity of the constitutive model to be developed is significantly reduced. Furthermore, the parameters for the proposed constitutive model can be readily obtained by fitting experimental data. Through systematic comparisons of the predictions and the actual behaviors of the studied sandstone, it is found the proposed constitutive model is capable of describing the elastic, plastic, and viscoplastic deformational behaviors not only under pure shearing stress path that were used to calibrate parameters, but also under other stress paths.