岩石分数阶蠕变损伤本构模型研究

红层边坡蠕滑现象显著,岩石具有较强的蠕变特性。为了反映岩石蠕变全过程,基于岩石蠕变的阶段特征,通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体来分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。将损伤变量加入弹性体,引入SN元件改进分数阶软体元件,综合改进后的考虑时效损伤的弹性体和基于分数阶微积分的非定常黏滞体和黏塑性体,构建新的三元件蠕变损伤本构模型。采用RLW-2000三轴流变试验系统开展红层泥岩三轴压缩蠕变试验,再引用相关文献中盐岩和红砂岩典型蠕变数据,通过三种岩石蠕变曲线对该模型进行验证,证明所建模型的合理性和适用性。     

软岩非定常蠕变参数辨识

岩石的流变特性是年岩石重要的力学特性之一,它控制着岩石的蠕变参数.某矿区岩石具有显著流变性,因此,矿区岩石蠕变规律研究成为一项重要的基础工作.为此,对矿区软弱复杂矿岩蠕变特性进行了试验研究.采用多级循环单轴压缩进行试验,在对试验数据深入分析时,考虑了加载历史对岩石试件变形的影响,真实地反映了岩石试件本身的流变力学行为.选取Burgers模型来反映岩石的蠕变特性,建立了一维情况下非定常粘弹性模型的蠕变方程,结果表明非定常粘弹性模型比定常粘弹性模型更为准确地反映了岩石的粘弹性变形性能.     

坝区岩体蠕变参数反演与边坡开挖流变计算分析

软弱岩体是影响边坡安全稳定的重要因素,为有效反映大岗山坝区辉绿岩脉和断层破碎带等软弱岩体的蠕变变形特性,根据大岗山坝区现场压缩蠕变试验资料和推导的基于广义开尔文模型的刚性承压板边缘岩体的粘弹性变形计算公式,采用优化反演法计算得到坝区软弱岩体的蠕变力学参数,建立了大岗山水电站坝区边坡开挖卸荷的三维流变计算分析模型,使用FLAC3D软件详细分析了边坡分步开挖过程中坝肩坝基岩体的变形特性和软弱岩体的蠕变力学效应,获得了对工程设计和施工具有指导意义的建议和结论.     

冻结红层软岩的蠕变特性研究

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性。对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。     

Rheological properties of surrounding rock in deep hard rock tunnels and its reasonable support form

Second lining stability, which is the last protection in tunnel engineering, is critically important. The rheological properties of the surrounding rock heavily affect second lining stability. In this work, we used laboratory triaxial compressive rheological limestone tests to study nonlinear creep damage characteristics of surrounding rock mass in construction projects. We established a nonlinear creep damage constitutive model for the rock mass, as well as a constitutive model numerical implementation made by programming. Second, we introduced a new foam concrete with higher compression performance and good ductility and studied its mechanical properties through uniaxial and triaxial tests. This concrete was used as the filling material for the reserved deformation layer between the primary support and second lining. Finally, we proposed a high efficiency and accuracy staged optimization method. The minimum reserved deformation layer thickness was established as the optimization goal, and the presence of plastic strain in the second lining after 100 years of surrounding rock creep was used as an evaluation index. Reserved deformation layer thickness optimization analysis reveals no plastic strain in the second lining when the reserved deformation minimum thickness layer is 28.50 cm. The results show that the new foam concrete used as a reserved deformation layer filling material can absorb creep deformation of surrounding rock mass, reduce second lining deformation that leads to plastic strain, and ensure long-term second lining stability.     

大岗山水电站坝区辉绿岩流变特性的三轴试验研究

为解决大岗山水电站坝基的辉绿岩的流变力学问题,利用RLW-1000三轴流变仪进行了不同应力路径下的三轴流变试验,得到了各工况下的应力-应变-时间曲线。结果表明：辉绿岩是典型的硬脆性岩石,存在明显的流变门槛值,破坏时表现为突发性的脆性破裂。在破裂应力水平下表现出减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变,减速蠕变和加速蠕变历时都十分短暂。临近破裂时的横向蠕变速率均不同程度的大于轴向,这是导致岩石扩容的主要原因。由于流变过程中损伤不断发展,导致岩石整体强度下降,因此流变破坏强度普遍低于常规三轴压缩试验瞬时破坏强度。辉绿岩存在一定的蚀变现象,蚀变矿物呈细鳞片状集合体。由于蚀变带的存在,使得岩块的强度受到影响,岩石破裂极易发生在结晶程度较差的矿物颗粒部位或胶结程度较差的两种矿物接触部位。     

非饱和土等效时间流变模型

为了理论分析流变速率效应力学特性,需要建立非饱和土流变模型.首先把非饱和土屈服面分为LC和SI屈服面。其次根据LC屈服面的压缩蠕变公式,利用等效时间法建立相应的黏塑性体应变速率公式,结合巴塞罗那屈服方程和相关联流动法则,获得LC屈服面的三维流变速率方程,揭示了本文与Gennaro-Pereira提出的LC后继屈服面方程的异同。再次,根据SI屈服面的吸力压缩蠕变公式,利用等效时间法建立相应的黏塑性体应变速率方程.最后,把LC和SI屈服面的流变速率方程与弹性方程相结合,建立非饱和土等效时间三维弹黏塑性模型.当不考虑流变速率效应时,LC和SI流变屈服方程可以退化到巴塞罗那模型的塑性屈服方程.理论分析了非饱和土一维流变特性,并与土工试验数据进行对比,两者较为吻合。三轴加载条件下的流变特性数值分析结果表明,按不同方式施加到同一恒载时,随着恒载维持时间的增长,不同加载方式引起的体积流变趋向一致,但剪切流变有较明显的差别.     

岩石流变的一种非线性黏弹塑性流变模型研究

将黏滞系数视为非定常量,建立黏滞系数的非线性函数关系,提出一种能描述岩石蠕变全过程的非线性流变力学模型,且在一定条件下模型可蜕变为Burgers模型或西原正夫模型。推导了岩石在常应力和常应变条件下的流变方程;研究了岩石的非线性蠕变特性和松弛特性。对不同应力条件下的岩石蠕变试验结果进行拟合,并将本文的非线性岩石流变力学模型与试验结果进行比较。结果表明,试验曲线与理论曲线较吻合,从而证明了本模型的正确性与合理性。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

提出一种新的非定常粘滞系数的流变元件,然后将提出的非线性流变元件引进到PoytingThomson模型中,从而建立了新的非线性黏弹塑性流变模型,该模型不但可以较好地模拟岩石蠕变三个阶段,而且模型参数较少。推导出模型的本构方程及蠕变方程,并探讨了模型参数的辨识方法,最后利用本文建立的非线性流变模型所得到的理论曲线与砂岩蠕变试验曲线进行对比分析。结果表明:本文建立的非线性流变模型具有较高的准确性及合理性。     

基于长期强度的节理岩体洞室蠕变特性研究

为了进一步探究节理岩体蠕变特性,摆脱传统意义上从宏观弹塑或粘弹塑本构的角度分析岩体流变特性的方法,将细观单元视为弹脆性的本构关系,采用考虑岩石长期强度的岩石破裂过程分析系统,通过对不同工况下的节理岩体洞室数值模拟,得到了节理间距和节理夹角对围岩蠕变特性及其破坏特征的影响规律。结果表明：节理岩体洞室围岩的蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的水平夹角小于45°时,节理岩体洞室围岩蠕变量随着节理面夹角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小,当节理面倾角等于45°时,围岩出现大量破坏,并表现出加速蠕变的特征。     

轴压水压耦合作用下裂隙砂岩蠕变特性

在水利水电、水底隧道等岩土工程建设中,伴有初始损伤的岩石材料长期处于轴压水压耦合环境下,严重影响岩土工程的长期稳定性。为了保证处于轴压水压耦合环境下岩土工程的长期稳定性,以预加载制备的裂隙砂岩岩样为研究对象,利用特制的流固耦合多通道岩石流变系统,开展轴压水压耦合作用下裂隙砂岩单级加载蠕变实验及其蠕变模型研究,主要分析压力水与初始荷载对裂隙岩样蠕变特性的影响变化规律,并讨论新建立蠕变模型的准确性与合理性。蠕变实验研究结果表明：裂隙砂岩的轴向蠕变量随水压增大而减小;蠕变加速阶段的最大蠕变应变率随着水压升高而增大;初始阶段和破坏阶段的最大轴向蠕变应变率随初始荷载增大而增大。基于损伤理论,建立了考虑初始损伤的蠕变模型基本元件的非线性方程;根据幂函数方程,提出了新加速蠕变黏塑性模型;根据轴压水压耦合作用下裂隙砂岩的蠕变变形特征,建立了考虑时效损伤的一维非线性蠕变模型;基于增量理论,构建了轴压水压下考虑时效损伤的三维非线性蠕变模型。新蠕变模型预测的理论蠕变曲线与轴压水压下裂隙砂岩蠕变实验结果吻合度较高,这表明所建立的蠕变模型能较好的描述轴压水压耦合作用下裂隙岩石的蠕变变化特征,新蠕变模型合理,该成果为评价地应力与压力水耦合作用下岩土工程的长期稳定性提供理论依据。     

软土流变特性试验研究

根据室内三轴流变试验的结果,研究了北京地区粉质粘土的流变特性。结果表明,该类软土具有较明显的变形时效性及其在不同应力水平下的蠕变特性。通过分析蠕变曲线的规律,选择了广义开尔文五单元理论模型和时间硬化经验蠕变公式来描述软土的流变特性,并达到了良好的精度,建立了适合北京地区典型软土的流变理论模型和经验模型。     

茅口灰岩单轴压缩条件下的流变特性试验研究

取重庆北碚车站隧道茅口灰岩,根据现场岩层覆盖厚度及其茅口灰岩容重,取单轴压缩应力为6 MPa,采用MTS815多功能岩石试验机对岩样进行24 h单轴压缩蠕变试验,得到岩石轴向应变-时间曲线。分析岩石应变-时间曲线,发现茅口灰岩具有弹性-弹粘性之流变特性,与Poyting-Thomson model相似。用Origin软件对流变试验数据用Poyting-Thomson model方程进行拟合,得到低应力下流变拟合曲线,该拟合曲线能较好反应试验数据。因此,Poyting-Thomson model能较好反应茅口灰岩流变特性。最后求出了茅口灰岩低应力作用下流变模型各项参数。     

Long-term stability analysis of large-scale underground plant of Xiangjiaba hydro-power station

Numerical analysis of the optimal supporting time and long-term stability index of the surrounding rocks in the underground plant of Xiangjiaba hydro-power station was carried out based on the rheological theory. Firstly, the mechanical parameters of each rock group were identified from the experimental data; secondly, the rheological calculation and analysis for the cavern in stepped excavation without supporting were made; finally, the optimal time for supporting at the characteristic point in a typical section was obtained while the creep rate and displacement after each excavation step has satisfied the criterion of the optimal supporting time. Excavation was repeated when the optimal time for supporting was identified, and the long-term stability creep time and the maximum creep deformation of the characteristic point were determined in accordance with the criterion of long-term stability index. It is shown that the optimal supporting time of the characteristic point in the underground plant of Xiangjiaba hydro-power station is 5–8 d, the long-term stability time of the typical section is 126 d, and the corresponding largest creep deformation is 24.30 mm. While the cavern is supported, the cavern deformation is significantly reduced and the stress states of the surrounding rock masses are remarkably improved.     

改进的西原模型及其稳定性分析

根据岩石加速蠕变阶段的力学特性,提出用非线性牛顿体替代线性牛顿体,建立改进的西原模型,并导出改进后模型的本构方程.将非线性问题通过局部线性化,得到改进的西原模型的稳定性条件.通过对蠕变、蠕变速度、蠕变加速度的控制变量渐变分析表明,改进的西原模型能够较好地描述岩石三阶段蠕变变形,尤其是非线性加速阶段蠕变变形.     

考虑渗压的二长花岗岩流变损伤本构模型研究

基于二长花岗岩的流变试验结果,采用Cross-plotting方法确定了有效应力系数,在广义Bingham模型的基础上建立了考虑渗透压力损伤的流变损伤本构模型,对新的流变损伤模型进行参数辨识,得到了流变损伤模型的参数。推导了模型的流变本构方程,并用该模型拟合了岩石流变试验的数据,拟合结果表明:该模型不仅可以很好地描述衰减流变和稳态流变过程,亦可描述岩石的加速流变阶段,从而证明该模型的可行性和合理性。     

含水炭质板岩非线性蠕变损伤模型及应用

对深埋隧道炭质板岩进行高围压不同含水状态三轴蠕变试验.蠕变过程中,随着加载应力水平提高及含水量的增加,炭质板岩产生衰减、稳态及加速蠕变3阶段.将Burgers模型串联一个由非线性黏壶η(n,t)与塑性体并联而成的非线性粘塑性元件,改进后的模型可描述加速蠕变曲线.由该模型建立本构方程,拟合分析不同含水状态炭质板岩的蠕变参数,结果显示粘滞系数ηM、瞬时变形模量EM、粘弹性变形模量EK、粘弹性粘滞系数ηK随含水率增加呈指数形式递减,但递减规律并不相同.引入含水损伤变量D(w),计算得到各蠕变参数指数型含水损伤演化方程,进而建立了考虑含水损伤的非线性蠕变模型,可充分反映不同含水状态对炭质板岩的蠕变损伤特性.建立数值模型,计算不同含水状态隧道围岩时效变形规律,结果显示初期支护体系于168 h左右闭合能有效限制围岩蠕变变形发展,二衬宜于初期支护闭合后360 h左右施作.     

粘弹塑性体的三维有限元分析及其在采矿工程中的应用

本文选用广义开尔文体和滨汉姆体相串联的粘塑性力学模型,描述了开挖围岩的瞬变和蠕变应变。基于该模型推导了针对各种屈服准则的粘塑性应变增量的隐式统一式,并编制了三维有限元程序。同时,用参数变换法实现了三维有限元网格划分的计算机化,结合工程实例系统地实现了对岩体工程开挖围岩力学特性的空间模拟,分期开挖及围岩蠕变的计算分析,计算程序可供设计和工程问题研究中参考。     

粉砂质泥岩的三轴蠕变试验研究

为了揭示分布于北天山中西部的志留系上统紫红色粉砂质泥岩的蠕变特性,为拟建于此的某深埋越岭特长隧洞的设计、施工,以及长期稳定问题评价提供依据,通过钻孔取样进行了三轴蠕变试验研究。试验在5台岩石三轴蠕变试验机上进行,围压分别为0、5、10、20、30 MPa。试验取得以下主要成果：1）揭示了这类黏土岩的蠕变特性可用西原模型加以描述,并由此建立了蠕变本构方程;2）采用曲线求参法求解了各流变参数;3）采用叠加原理与等时曲线法获得了岩石的长期强度;4）各蠕变参数随围压的升高而增大,长期强度较瞬时强度降低的幅度亦随围     

基于非定常分数阶微积分的岩石蠕变模型研究

分数阶导数引入蠕变模型可较好地模拟蠕变特性,为了解决常规分数阶黏滞体的微分阶次多为定常数,不能用同一元件模拟岩石蠕变的衰减、稳定或加速阶段的问题,基于分数阶微积分理论,提出了一种非定常微分阶次的分数阶黏性元件,将此元件与引入分数阶的理想黏塑性体及理想弹簧串联,建立了新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型的蠕变方程,并分别利用岩石蠕变试验结果及西原体模型、河海模型对其合理性进行了验证、对比。结果表明:所建模型拟合曲线与试验数据吻合较好,误差较小,具有较高的准确性及合理性,能够较好地模拟岩石蠕变全过程。