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。     

不同温度下含煤层气(瓦斯)煤蠕变规律实验研究

为探索温度场中含气煤体的蠕变规律,首先采用型煤进行了不同温度下的含气煤体全应力应变加载实验,确定了含气煤体蠕变实验时的轴向加载应力。随后,保持轴压、围压、气压不变进行了不同温度下的蠕变实验,测得了不同温度下含气煤体的轴向应变、径向应变、体积应变与时间的动态变化曲线。实验结果表明:不同温度下含气煤体蠕变过程中,轴向应变-时间曲线、径向应变-时间曲线、体积应变-时间曲线均随温度升高而增大,各类应变-时间曲线有不同程度的交叉,反映出不同温度下各类应变的初始瞬时应变及衰减速率不同,并有明显的减速蠕变与等速蠕变两阶段,加速蠕变阶段不明显;各温度下的蠕变全过程中,蠕变体积应变以轴向压缩应变占主导。温度越高,体积应变中轴向压缩应变越大。最后,建立含气煤体的蠕变应变表达式。计算表明,温度升高使得含气煤体弹性降低,黏性增大,煤体更易于产生压缩变形。     

基于函数阶微积分的泥岩高温蠕变特性分析

利用MTS810电液伺服材料试验系统及其配套的MTS652.02高温电炉,分别对泥岩进行常温与700℃下蠕变特性试验。基于函数阶微积分理论建立泥岩函数阶蠕变本构模型,通过模型阶数对比,明确应力水平和温度对泥岩蠕变特性的影响规律。根据物质组分及细观结构试验结果,解释模型阶数变化的原因,进而说明泥岩蠕变特性变化机理。结果表明:700℃下函数阶蠕变模型参数中阶数随时间变化分为3个阶段,与蠕变变形的3个阶段一一对应,相同时刻,阶数随应力水平的升高而增大,表明较高应力水平下岩石蠕变变形过程中黏性特性加强;与25℃下模型阶数变化曲线相比,700℃下曲线第2变化阶段持续时间更长,说明高温作用能有效提高泥岩稳定蠕变过程中的黏性特性;初始时刻700℃下模型阶数大于25℃下对应值,并且差值随应力增大逐渐减小,表明低应力水平下高温作用能提高泥岩瞬时蠕变过程中的黏性特性,但较高应力下高温作用的影响不明显;700℃下泥岩中产生部分伊利石,热膨胀作用使得泥岩内部细观结构较常温下更加密实,这两方面是导致应力水平与高温作用对岩石蠕变特性产生影响的根本原因。     

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.     

一种基于能量耗散理论的岩石加速蠕变模型

岩石加速蠕变阶段的启动条件是分析蠕变全过程的难点问题,现有的西原体模型在描述岩石黏塑性阶段的加速蠕变特性时也存在明显的不足。为了更好地描述岩石蠕变的全过程、划分蠕变的不同阶段和表征加速蠕变阶段的变形特性,基于能量耗散理论定义了加速蠕变启动的控制阈值,将Perzyna黏塑性模型引入西原体模型,由此构建了一种新型的岩石加速蠕变本构模型,并且通过三轴逐级加载蠕变实验数据对模型进行了验证。结果表明:蠕变加载过程中的能耗和蠕变损伤主要来源于岩土类材料内部的内能变化,基于能量耗散理论和考虑蠕变速率变化构建的岩石加速蠕变模型能更好地描述岩石黏弹塑性蠕变特性,不仅反映了岩石能量耗散与蠕变变化之间的关系,也进一步突出了岩石的蠕变速率和蠕变应力状态对加速蠕变的影响;同时,该模型克服了传统的西原模型难以描述加速蠕变变形特征的缺点,更加准确地反映了岩石的衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性;最后,对比分析结果验证了采用耗散率值来定义由稳定蠕变阶段转化为加速蠕变阶段的控制阈值是可行的,引入Perzyna黏塑性模型对改善西原体模型描述岩石加速蠕变阶段的变形特征是有效的,研究结果为分析蠕变变形全过程和划分蠕变变形阶段提供了一个新方法,为研究蠕变模型和蠕变力学特性提供了一个新思路。     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

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。     

不同应力状态下岩石蠕变全过程

基于岩石流变理论,采用解析方法和蠕变试验分析相结合,研究了不同应力状态下岩石黏弹塑性变形全过程的表述方式、对应的本构方程、蠕变方程、蠕变破坏时间、蠕变变形与破坏属性,建立了岩石三维黏弹塑性蠕变基本方程的统一格式.该统一格式可方便描述蠕变变形全过程,包括根据不同应力状态呈现出完整3阶段全过程,或其中某2个蠕变阶段组成的蠕变变形全过程.将其应用于以西原模型表述的三轴蠕变试验,建立了相应的三轴蠕变本构方程、蠕变变形公式的显式.利用某地片麻岩蠕变试验结果,验证了所建立理论模型的正确性.     

膏体充填开采胶结体的蠕变本构模型

为分析膏体充填开采胶结体的蠕变特性,进行了三轴蠕变试验。在试验基础上推导了考虑时间和应力2个变量的损伤演化方程,将损伤变量引入改进的西原模型中,建立了新的本构模型,推导了胶结体的三维蠕变本构方程。根据试验数据对该模型的蠕变参数进行拟合,将理论计算的蠕变曲线与试验得到的蠕变曲线进行了对比。研究结果表明：膏体充填开采胶结体属于黏弹塑性材料,具有明显的流变特性。在偏差应力值较小的应力水平下仅有衰减蠕变和稳态蠕变2个蠕变过程,在偏差应力较大时有加速蠕变阶段,蠕变值随偏差应力值的增加而增加,蠕变值增大速率随偏差应力值的增加而减弱。引入损伤的改进西原模型能较好地反映胶结体的蠕变规律。     

岩石试件非线性黏弹塑性蠕变模型分析

建立了非线性黏弹塑性蠕变模型,并建立了模型的本构方程。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,得出岩石试件在恒应力状态下的蠕变变形、蠕变速率和蠕变加速度的解析表达式。通过分析得到:岩石试件在恒应力下,岩石试件在经过一定时间后进入加速蠕变阶段,这一时间的长短与岩石试件的力学性质有关,特别与岩石的流变指数有很大的关系;岩石的流变指数是岩石的一个重要指标,它对岩石蠕变增长快慢程度有着重要的影响,岩石的流变指数越大,岩石越容易进入流变加速阶段,越容易失稳。     

三轴应力下软煤和硬煤对不同气体的吸附变形特性

为了深入研究煤体与瓦斯相互作用的变形特性,利用自主研发的三轴应力下煤样吸附变形动态测试系统,开展三轴应力状态下CO2和CH4气体在软煤和硬煤中吸附量以及吸附变形的动态测试试验,建立了三轴应力下煤样吸附气体变形模型。试验结果表明:① 软煤和硬煤在三轴应力条件下对CO2和CH4气体的吸附曲线符合Langmuir方程。三轴应力状态下软煤的吸附能力远大于硬煤的吸附能力,且两种煤样对CH4的吸附量都小于CO2。② 在应力恒定状态下,软煤吸附气体后的变形大于硬煤吸附气体后的变形。③ 软煤与硬煤在三轴应力下的吸附变形动态演化过程可以划分为初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段和变形稳定阶段3个阶段。④ 三轴应力下煤样的变形量随着吸附量的增加而增大。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

煤岩冲击变形破坏特性及其本构模型

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统对不同冲击速度下煤岩试样应变率变化规律、动态力学特性及其变形破坏特征进行了测试,探讨了煤岩动态力学本构模型。实验结果表明,煤岩试样的加载应变率与冲击速度整体上呈正相关关系,且不同冲击速度下煤岩试样的力学响应特征均具有分段性,可根据响应特征的差异将煤(岩)试样在低-中-高冲击速度下的变形依次划分为压密变形、塑性变形、塑性软化(硬化)变形3种类型;煤岩试样的破坏特征均具有明显的应变率相关性,在低冲击速度下,试样均呈脆性破坏形式,随着冲击速度的增加,试样的延性破坏特征逐渐显现。在分析煤岩试样应力-应变本构关系及动态破坏特征的基础上建立了包含低-中-高应变率响应的粘弹性损伤本构模型,应用结果表明,与实测曲线相比模型拟合曲线拟合精度高,验证了所建模型的有效性与合理性。     

高温三轴应力下煤体弹性模量的演化规律

利用自主研制的“600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”研究了500 m原岩应力状态下室温至600 ℃升温过程中大尺寸（200 mm×400 mm）晋城无烟煤和兴隆庄气煤弹性模量随温度的演化规律,对比分析了无烟煤和气煤弹性模量变化规律的异同,讨论了弹性模量突变临界温度和热解产气对煤体弹性模量的影响。结果表明：煤的弹性模量随温度升高变化过程可以分为3个阶段,即中低温平稳降低阶段、中高温剧烈降低阶段和高温缓慢降低阶段;煤体热解产气对弹性模量变化产生重要影响,随着温度升高,无烟煤弹性模量与热解产气速率呈明显的负指数关系;围压、温度和热解共同影响煤体弹性模量,在围压保持不变的条件下,温度和热解产气是影响弹性模量的主要因素弹性模量在不同温度阶段呈现出不同的变化特征;煤的弹性模量随温度的变化规律较砂岩复杂,但同样存在弹性模量突变临界温度点,只是不同煤阶的煤体临界温度出现较大差异。     

煤的动态力学本构模型

为揭示煤岩动态破坏机理,利用50 mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验系统,对煤试样进行不同应变速率下的冲击加载实验,实验结果表明：煤体动态本构曲线前期就呈现出很强的非线性,初始弹性模量、屈服强度和极限强度都随应变率的增大而增大,塑性变形则是先增大后减小。根据动态本构曲线特征以及前人对本构模型的研究成果,运用弹塑性理论,建立了损伤体-黏弹性本构模型,模型的拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合结果表明,煤体的动态力学性质对高低应变率的敏感性不同,对高应变率比较敏感,尤其是在300 s -1的应变率下,煤体的塑性流动最强,应力应变曲线产生了二类卸载(正斜率)。     

含瓦斯煤卸围压蠕变试验及其理论模型研究

以重庆松藻煤电公司打通一矿突出煤层取得的煤样为研究对象,运用自制的含瓦斯煤三轴蠕变加载渗流试验系统,进行了含瓦斯煤卸围压蠕变与渗流试验研究,分析了其黏塑性本构关系与考虑Klinkenberg效应的卸压瓦斯渗流规律。结果表明：通过卸围压可使含瓦斯煤加速破坏,对于脆性煤岩体则容易引起冲击地压或煤与瓦斯突出。由于煤样在加压再卸压的过程中产生大量的宏观裂隙,优化了煤体中孔隙的连通性,会引起瓦斯流动速度显著增加。改进了Chaboche黏塑性本构模型,可用以描述含瓦斯煤的卸压短期蠕变破坏。通过实验数据可以获得该本构模型中的系列参数,并使之与含瓦斯煤的卸压变形吻合。通过试验得出了考虑Klinkenberg效应的卸围压过程中瓦斯流量的变化规律、视渗透率与滑脱系数。     

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。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

不同含水率条带煤柱稳定性研究

煤层的富水性明显影响高应力作用下条带煤柱的稳定性,为研究含水率对条带煤柱蠕变特性的影响,首先对不同含水率的煤样进行蠕变试验,结果表明,含水率对煤样蠕变特性具有明显的影响,含水率越大,煤样的蠕变变形量越大,其蠕变门槛值、蠕变强度及蠕变系数越低。蠕变试验拟合结果表明,采用改进的Burgers模型能够较好地描述煤的蠕变力学特性。以蠕变试验结果为基础,采用FLAC~(3D)数值模拟软件对不同含水率条带煤柱的蠕变特性及稳定性进行了模拟分析。随含水率增大,应力峰值距煤壁距离增加,煤柱塑性区增大;同时,煤柱垂直应力变小,蠕变变形量增大,其承载能力降低,煤柱进入长期稳定状态的时间加长。数值模拟结果表明,在其他条件相同的情况下,煤柱含水率为0.78%,1.07%及1.36%时,煤柱塑性区宽度分别为10,12,16 m,其进入长期稳定状态的时间分别为18,24及36个月。