考虑温度效应的花岗岩分数阶蠕变模型研究

温度是影响岩石蠕变特性的一个重要因素,不同温度影响下岩石蠕变行为对深部地下工程、高放射性核废料处理工程等有着显著影响,研究温度—应力耦合作用下的岩石蠕变力学行为具有重大意义。在分析20℃~300℃花岗岩蠕变试验数据的基础上,引入能反映岩石黏弹性的分数阶蠕变元件,并通过元件组合建立了考虑温度效应的花岗岩黏弹塑性蠕变本构模型,进而获得了岩石非稳定蠕变阶段前参数随温度变化的函数。同时开展了蠕变参数的敏感性分析,得到了各参数对蠕变模型的影响规律。研究表明：随着温度增加,蠕变参数的变化均会影响花岗岩进入稳态蠕变的时间,其中黏性系数影响较大。     

基于Norton方程的岩石蠕变损伤曲线的测定

Norton方程通常用于反映金属类材料的稳态蠕变阶段,为了研究Norton方程在岩石材料蠕变损伤的适用性,通过单轴蠕变压缩试验,对同一批试件施加不同轴向应力,绘制不同应力下的时间-蠕变曲线,随着轴向应力的增加岩石出现衰减、稳态及加速蠕变三个阶段。根据Norton提出的经验公式和七点法计算出岩石的应力指数,结合损伤力学理论与Norton提出稳定蠕变和加速蠕变的指数关系,计算出不同时间点的损伤变量,从而绘制出岩石的时间损伤曲线。采用前人提出的损伤模型绘制理论曲线和实验曲线对比,结果表明该曲线符合岩石随时间流变的损伤演化规律,从而得出岩石加速蠕变阶段的损伤曲线符合Norton方程。     

基于应变屈服临界的岩石黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究岩石的非线性加速蠕变特性, 依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征,划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态,并给出了相应状态的蠕变力学特性。假定岩石在三轴压缩试验条件下,发生延性剪切破坏,推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式。基于Perzyna黏塑理论,考虑后继屈服硬化作用,引入统计损伤因子,构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型;采用岩石全自动伺服三轴蠕变试验机对三峡库区典型砂岩试样开展了蠕变试验,得到了岩石试样在不同应力水平作用下的蠕变变形曲线。结果表明:蠕变试验中,岩样力学性质的时效特征显著,在最后一级应力水平作用下发生了非线性加速蠕变现象。基于提出的黏弹塑性蠕变模型对试验曲线进行拟合,拟合结果说明模型能够较好地反映砂岩蠕变3个阶段变形的规律特征,拟合效果较好。     

干燥与饱水状态下岩石剪切蠕变机理的研究

分别对巴东组的灰岩、砂岩、泥岩进行了剪切蠕变试验,得到了干燥和饱水状态下灰岩、砂岩及干燥状态下泥岩的剪切蠕变曲线。通过干燥和饱水状态下灰岩、砂岩这两种岩石蠕变试验结果的对比,探讨了含水量对岩石蠕变特性的影响;又在灰岩、砂岩、泥岩3种岩石的剪切蠕变曲线的基础上,对3种岩石的蠕变特性进行比较分析,研究其在不同的应力下瞬时剪切应变的规律及机理,以及干燥状态下不同岩性岩石的剪切应变进入稳定时间的规律及机理。根据试验验数据和理论分析得出了一系列结论,可为工程实践提供一定的参考价值和理论支持。     

岩石的流变破坏过程及有限元分析

岩石具有流变性质,这一特性在实际工程中得到越来越广泛的重视。岩石的典型蠕变过程分为瞬时弹性应变、瞬态蠕变、稳态蠕变和加速蠕变4个阶段。由现有的流变元件(虎克体、牛顿体和圣维南体)组合成的模型,可以描述前3个蠕变阶段。本文补充一个描述加速蠕变的流变元件,并提出一个反映岩石蠕变全过程的模型系统。 对于某种岩石,当施加的应力较小时,应变趋于一稳定值(图1曲线1);当施加较大应力时,应变将以稳定的速率发展(图1曲线2)。因此存在一临界应力δ_f,当施加的应力小于该临界应力时,岩石不会发生蠕变破坏,当施加的应力大于临界应力时,岩石就会持续变形,并发展到破坏(曲线2虚线)。这个临界应力称为岩石的长期强度。     

一种改进的Bingham岩石蠕变模型研究

为描述岩石完整蠕变特性,基于非线性流变力学理论,引入能够描述衰减蠕变和加速蠕变阶段的2个非线性函数,将替换传统Bingham模型中的线性元件,建立了一种改进后的Bingham岩石蠕变本构模型。通过引入屈服强度阀值来界定岩石蠕变阶段,当岩石在高应力状态下,模型能同时描述衰减蠕变、定常蠕变和加速蠕变3个阶段。利用天然页岩蠕变试验结果,根据通用全局优化算法,对改进后Bingham模型的参数进行反演辨识,获得了流变参数。对比拟合曲线与试验结果显示,改进后的模型拟合效果良好,相关系数均在0. 9以上,说明该模型的适用性与可行性。     

基于能耗理论的岩石三维蠕变本构模型及临界分段

目前对岩石加速蠕变阶段的启动判定仍是一个难点。为了反映岩石蠕变全过程,基于能量耗散理论,结合蠕变速率特征,以耗散率值作为蠕变三阶段的控制阈值,对蠕变阶段进行临界分段。引入Perzyna黏弹塑性理论,应用到Cvisc元件模型中,建立一种新的加速蠕变启动判定方式的蠕变本构模型,并将其拓展为三维情形。开展砂岩三轴压缩蠕变试验,分析蠕变速率变化特征,研究等时应力-应变关系,提取模型临界分段参数。引用相关文献中泥岩和冻结软岩蠕变试验数据,通过所建模型对3种岩石蠕变试验数据进行辨识,对比试验曲线和预测曲线,验证所建模型描述岩石加速蠕变阶段的优越性,充分显示出所建模型表征蠕变力学行为的合理性和适用性。研究成果为岩石蠕变阶段的划分及力学行为的模拟提供一种新思路。     

三峡工程船闸区花岗岩蠕变特性试验研究

本文叙述了三峡船闸区弱风化和微新岩石的压缩蠕变试验及方法;将蠕变强度和瞬时强度作了比较;拟合出了蠕变曲线经验公式;得到了蠕变理论模型及其参数。试验结果表明,三峡船闸区弱风化和微新岩石虽属坚硬岩石,其强度仍存在时间效应,为工程设计长期稳定计算提供了蠕变模型及其参数。     

分级加卸载下砂岩蠕变试验及模型研究

采用分级加卸载方式,利用五联流变实验系统对陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司砂岩进行单轴蠕变试验。针对岩石蠕变的衰减、稳定和加速三阶段特征,将Burgers模型中串联的牛顿体的黏滞系数修正为与应力、时间相关的函数,考虑损伤在蠕变过程中的影响,基于损伤理论和Lemaitre应变等价性假说,建立损伤体模型。将Hooke体、Kelvin模型、修正牛顿体和损伤体四者串联组成一个新的非线性损伤蠕变模型,推导新模型的本构方程和蠕变方程,该模型以一个统一的函数描述岩石在不同应力水平下的蠕变曲线。基于单轴蠕变试验结果,对模型参数进行辨识和敏感性分析,将新模型与试验蠕变曲线对比。结果表明:模型能很好地拟合岩石蠕变,模型无须采用分段函数即可描述砂岩蠕变的全过程,弥补了Burgers模型无法描述加速蠕变的不足,从而验证新模型的合理性。     

三峡工程岩石拉剪蠕变断裂试验研究

根据三峡工程永久船闸地质勘探中获得的花岗岩岩石，采用了有效的加载方式，模拟了现场岩石节理情况，进行了岩石接剪蠕变断理解的试验研究，研究了花岗夺在拉剪应力作用下的蠕变变形规律，蠕变模型的建立等，为三峡工程的建设提供有效的数据和资料。