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。     

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。     

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。     

软岩非线性黏弹塑性蠕变模型及参数识别

软岩的蠕变具有明显的非线性特征,并且受温度、湿度、荷载类别、应力水平、孔隙水压力等因素影响,在分析应力水平、孔隙水压力对蠕变特性影响的基础上,提出了一个非线性黏滞系数牛顿元件,其黏滞系数是所加应力水平、孔隙水压力和蠕变时间的函数,将非线性黏性模型与西原模型串联,得到一个软岩非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了不同恒定荷载情况下的蠕变方程,并分析了模型的非线性特征和参数的敏感性,结果表明,该模型可同时表征软岩蠕变的3个阶段,最后,基于1stOpt软件的通用全局优化算法对模型参数进行了识别,辨识的结果与试验曲线吻合较好,初步表明复合流变模型的适用性和正确性,可为今后开展类似研究提供一定的参考依据。     

基于西原模型的非线性损伤蠕变模型

针对传统的西原模型不能较好地反映岩石蠕变非稳定阶段,且多数学者对西原模型的修正是通过屈服强度阈值来界定非稳定阶段,而通过时间阈值考虑非稳定蠕变阶段界定的研究相对较少。在西原模型的基础上,引入Kachanov损伤理论及时间损伤阈值,建立了一种同时描述3个阶段的非线性损伤蠕变方程式。通过灰岩蠕变试验得到试验数据,对新的非线性损伤蠕变模型的参数进行反演,并进行曲线拟合,分析岩石的蠕变损伤过程和对应阶段的稳定性,证明了该模型的正确性和合理性,为岩石流变失稳现象提供理论依据。     

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.     

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.     

高围压高水压条件下岩石非线性蠕变本构模型

基于高围压高水压条件下砂岩三轴压缩蠕变试验结果,分析岩石蠕变规律,选取Burgers模型对低应力水平下的蠕变特性进行描述,效果较为理想。当应力水平高于屈服应力时,岩石在经历一段时间后发生加速蠕变。采用幂函数、对数函数混合方程对加速蠕变段进行拟合,再通过类比的方法提出一个新的非线性黏性元件,并将其与塑性体并联,得到一个可以反映岩石加速蠕变特性的非线性黏塑性模型,将该模型与Burgers模型串联,构建一个新的六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并推导了该模型在常规三轴应力状态下的蠕变本构公式。结合试验结果,运用通用全局优化算法,对提出的非线性黏弹塑性蠕变模型参数进行了辨识,辨识结果验证了新构建模型的正确性与合理性。     

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。     

弹粘塑本构模型辩识的半经验法及三阀值流变模型

通过对岩石的蠕变曲线分析，提出了一种反映岩石加速蠕变的非牛顿流体粘滞阻尼元件，并根据不同压力情况下的蠕变曲线特性，介绍了一种新的岩石流变模型——三阀值流变模型。还提出了一种辩识弹粘塑本构模型的半经验法，为建立较精确的岩石流变模型提供了一定的理论依据。     

流变作用下露采岩质边坡和采空区的稳定性分析

针对井下开采转露天开采现状,分析了岩体材料蠕变力学特性对采空区和边坡稳定性的响应。采用改进的西原蠕变模型,对边坡安全系数的求解进行了推导,然后通过工程算例进行了数值计算,研究了采空区安全顶板的厚度和采空区边坡稳定性的影响。计算结果表明:蠕变效应下,采空区安全顶板的厚高比要比工程经验规定的值偏大,且采空区边坡垂直位移的变化对其稳定性有显著的影响,拉剪塑性区主要分布在边坡的中上部和深部采空区,并不是在矿体中,算例验证了该模型的计算是可靠的,为采空区边坡的稳定性分析提供了参考。     

考虑岩土蠕变特性的边坡长期稳定性研究

基于FLAC3D的Cvisc模型,采用考虑岩土蠕变特性的强度折减法对十堰某建筑场地边坡进行稳定性计算,得到了监测点在不同折减系数下的蠕变曲线。对蠕变曲线的位移变化规律进行分析,确定了边坡工程的长期稳定性系数。与传统强度折减法进行比较,结果表明：考虑岩土体蠕变特性时的边坡稳定性系数为1.18,不考虑岩土体蠕变特性的边坡稳定性系数为1.30,说明岩土体蠕变特性不利于边坡的长期稳定,建议采用稳定性系数1.18作为边坡支护的设计参数。     

岩体蠕变对露天矿边坡稳定性的影响

为了研究岩体蠕变对边坡稳定性的影响,评价露天矿边坡服务周期内的安全性,根据时效边坡理论及岩体蠕变规律,分析了边坡岩体力学参数的长期强度表达式;基于极限平衡法中的简化Bishop法,推导出了圆弧滑坡时效稳定系数的计算公式;得出了稳定系数随蠕变时间增长呈指数递减的规律。对哈尔乌素露天矿端帮靠帮开采过程的时效稳定性进行研究的结果表明：在相同岩性参数的基础上,随着边坡角的不断增大,端帮边坡的整体稳定系数呈线性下降,剪应变及应力集中于高陡台阶底部,塑性贯通区呈圆弧状;随着蠕变时间的增长,不同几何形状边坡的稳定系数均呈现相同的衰减规律。岩体蠕变特性会造成岩体抗剪强度及边坡稳定系数随时间延长而呈指数规律衰减。准确把握岩体蠕变特性,可预测边坡的有效服务时间,具有非常重要的工程价值。     

层状岩质边坡蠕变破坏及其影响因素分析

该文综合工程地质条件、力的作用方式及边坡具体破坏形式 ,在考虑时间效应的基础上 ,结合典型实例对边坡工程中常见的一类边坡———层状岩质边坡的蠕变破坏类型及其影响因素进行了分析探讨 ,为边坡蠕变破坏的进一步研究及现场实际提供了有益的参考和指导     

煤岩层状边坡蠕变破裂数值模拟

煤岩层状边坡在外力及内部结构共同作用下易造成大规模滑坡。应用最大拉应力理论，建立煤岩蠕变破裂判断准则；并对蠕变裂纹的萌生、扩展和汇聚进行有限元描述。基于FEPG软件编制离层蠕变破裂程序模块，在第一主应力矢量方向的垂直方向上生成裂纹，接下来的裂纹扩展再继续寻找第一主应力的最大值，达到抗拉强度后蠕变开裂，不断循环。以海州露天矿国家矿山公园边坡为研究对象，模拟煤岩离层蠕变破裂；结合现场设立的监测点，实测和模拟结果进行对比相吻合，为煤岩层状边坡支护和防治灾害发生提供了依据。     

考虑全生命周期的露天矿边坡时效稳定性分析

基于开挖岩体蠕变劣化效应对露天矿高边坡稳定性的影响,提出了全生命周期内边坡的稳定性模型。引入岩石强度劣化理论,推导了时间效应下安全系数的计算公式。考虑锚索的预应力损失和边坡蠕变现象,建立了预应力损失条件下边坡安全系数的表达式,分析了时间因素和锚索预应力损失对边坡稳定性的影响规律。以大孤山西井边坡为例,借助FLAC3D内置的FISH语言把劣化理论嵌入到强度折减法中,利用改进的强度折减法计算了边坡的时效安全系数。结果表明:岩石强度随时间延长呈“L”型劣化,使得蠕变型边坡的安全系数低于只考虑开挖的情况,与实际工程更加吻合,受锚索预应力损失的影响已加固边坡仍有失稳的风险。比选了4种锚索的加固调控方案,在满足全生命周期内安全生产的前提下,获得了经济效益最优的方案。     

红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析

以标准红砂岩试样为研究对象,运用自行研制开发的软弱煤岩材料剪切蠕变实验装置结合自行开发的煤岩 细观力学特性测控软件,对处于不同载荷水平作用下的红砂岩试样剪切蠕变力学特性进行了系统的研究,并 基于试验结果尝试解释了一些边坡失稳发生时的现象。结果表明:载荷大小对红砂岩剪切蠕变力学特性具有 明显的影响,直接决定着加速剪切蠕变阶段的有无、试样的破坏与否和试验时间对其剪切蠕变力学特性的 影响程度;存在2个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ₁、τ₂,它们将红砂岩剪切蠕变类型分为3种, 即肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏;红砂岩试样破裂带的形成过程表现为渐进式,破坏过程表现为渐 进式与突发式结合,破裂面附近区域为裂纹结构丰富区且该面为非平直剪切面;不同载荷水平作用下岩石剪 切蠕变力学特性可以用来解释边坡失稳发育过程中的现象,认为边坡内潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变 破坏是边坡发生失稳的力学机理。     

煤岩蠕变破裂判定准则及应用

煤岩边坡的大变形不是瞬间发生的,而是长时间缓慢流变的结果,其中蠕变是流变的主要形式,当蠕变进入到了加速发展阶段即蠕变的第三阶段,发生蠕变破裂,会使煤岩体失去承载能力并损坏,甚至发生严重事故。因此,开展煤岩蠕变破裂判据研究尤为必要。应用最大拉应力理论以及最大拉应力单元追踪法,模拟流变变形过程中裂纹的萌生、扩展和汇聚,建立蠕变破裂判断准则;应用FEPG软件平台,编制蠕变破裂模块,从受法向力作用下的蠕变破裂,分析其各设定监测点随时间不同方向位移变化的规律;通过对层状边坡蠕变破裂模拟与海州煤矿监测数据对比可知,两者可以很好的吻合。     

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。     

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。