Triaxial mechanical creep behavior of sandstone

Based on laboratory results of time-dependent mechanical behavior tests, we investigated short-term and mechanical creep behavior of sandstone, observed in conventional triaxial compression experiments at room temperature, using a servo-con-trolled rheology testing machine. Given our short-term experimental test results, we confirmed deviatoric creep stress levels of sandstone. Multiple deviatoric stress levels were applied in steps to each sample. Each deviatoric stress level before the final failed deviatoric stress was maintained for 48 h or longer. Time-dependent variations of axial strains of sandstone samples are discussed and evaluated. During the creep tests, complete tertiary creep curves of sandstone were observed under failed deviatoric stress lev-els with different confining pressures. Slices of coal in sandstone samples can lead to distinct tertiary creep deformation failure.     

芒硝蠕变特性及本构模型研究

利用RLW-2000岩石流变试验机对芒硝开展了三轴压缩蠕变试验。试验结果显示,同一围压下,随轴向应力增大,芒硝蠕变变形量和稳态蠕变率均随之增加,而各级荷载加载过程中芒硝变形模量不断减小;芒硝蠕变过程具有非线性特征,且随蠕变时间延长,芒硝屈服强度逐渐降低。以分数阶粘滞体代替广义Kelvin模型中的经典粘滞体,建立了分数阶广义Kelvin模型;针对其蠕变方程形式复杂、应用不便的缺点对其进行了简化,将简化后的分数阶广义Kelvin模型与Heard稳态蠕变模型相结合,构建了一种新的非线性蠕变本构模型,并利用芒硝蠕变试验结果反演了模型参数。结果表明,拟合曲线和试验结果吻合良好,说明该模型能够较好的描述芒硝的蠕变特性。     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变力学特性试验研究

为揭示三峡地区巴东组二段粉砂质泥岩的蠕变力学特性,采用RLJW-2000岩石流变伺服仪对饱和粉砂质泥岩进行了三轴压缩蠕变试验。试验在分级加载条件下进行,试验围压为1 MPa。基于试验结果,定量研究了粉砂质泥岩蠕变过程中轴向蠕应变与径向蠕应变的差异、轴向蠕变速率与径向蠕变速率的差异,得出了岩石的长期强度。研究结果表明:1)在各级应力水平下,试样径向蠕应变占径向总应变的比例始终比轴向蠕应变占轴向总应变的比例大,岩石的径向蠕变效应更明显。2)在破裂应力水平下,岩石径向蠕变比轴向蠕变先进入加速蠕变阶段,径向的初始蠕变速率、稳态蠕变速率以及加速蠕变速率均高于轴向相应的蠕变速率,以径向蠕变特征来判别粉砂质泥岩是否发生蠕变破坏更合理。工程实践中,应加强对岩石径向蠕变特性的监测工作,这对于工程失稳的预测预报更有意义。3)粉砂质泥岩的长期强度仅为其瞬时强度的74.4%,长期强度折减较大。4)试验中获得的长期强度实际上应为粉砂质泥岩的径向长期强度,径向先发生蠕变破坏从而导致试样破坏。     

坝区辉绿岩体的长期剪切流变强度分析研究

岩体长期剪切流变强度是进行岩体工程长期运行稳定分析的重要基础。以大岗山水电站坝区辉绿岩现场剪切流变试验数据为基础,分别采用等时应力-应变曲线法、非稳定蠕变判别法和稳态蠕变速率法计算获得坝区辉绿岩的长期剪切流变强度,并进行了对比分析。采用等时应力-应变曲线法分析坝区辉绿岩的长期剪切流变强度较为科学合理。与岩体瞬时抗剪强度相比,长期剪切流变强度因裂隙损伤扩展有所降低,坝区岩体长期剪切流变的内摩擦角衰减了30.7%,长期剪切流变的粘聚力衰减了22.6%。     

岩石非线性蠕变损伤模型研究

对岩石蠕变3个阶段各自的力学状态特征进行分析,认为岩石处于衰减和稳态蠕变阶段时存在非线性硬化现象,此时可以认为岩石内部不产生损伤或者是损伤程度十分微小可以忽略不计;当岩石处于加速蠕变阶段时,岩石内部的损伤不断产生并加剧,呈现出较为明显的非线性特征;将一个非线性硬化函数和损伤演化方程引入到Maxwell蠕变模型中去,使其可以较好地描述蠕变的3个阶段.对向家坝水电站右岸地下厂房工程区的砂岩进行了三轴蠕变力学试验,依据典型的岩石全程蠕变试验曲线数据,对所提出的岩石非线性蠕变损伤模型进行了辨识,辨识的蠕变模型和试验结果具有较好的一致性.     

改进的广义Kelvin岩石蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型难以描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,提出一种新的时间触发非线性黏性元件,并将其与广义Kelvin模型串联,再将岩石蠕变过程中岩石弹性模量的衰减方程引入到广义Kelvin模型中,得到了一个可以模拟岩石蠕变全过程的非线性蠕变模型,推导了不同恒定荷载情况下的一维和三维蠕变方程。根据通用全局优化算法,利用前人所研究的岩石蠕变实验曲线对非线性蠕变模型进行参数确定和模型验证。模型理论计算值和岩石蠕变实验曲线的对比表明该蠕变模型具有较高的正确性和合理性,能较好地模拟岩石在不同应力水平下的蠕变变形,可为今后开展类似研究提供一定的参考价值。     

岩石非线性蠕变模型

在西原模型的基础上,研究建立了一种新的岩石非线性蠕变模型.首先,在分析岩石宏、细观蠕变过程的基础上,提出了蠕变参数变化率概念;以此为基础,统一建立了等速蠕变和加速蠕变阶段的岩石蠕变参数变化公式.然后,利用该非线性蠕变参数以及根据岩石的屈服软化过程,以西原模型为基础,建立了岩石的非线性弹-粘弹-粘塑性蠕变模型.最后,将单轴压缩蠕变试验结果与数值计算结果对比,验证了模型对于描述岩石全过程蠕变变形破坏的正确性.     

岩石试件蠕变过程中的反馈特性研究

目的为了更明确地研究岩石试件蠕变过程中反馈特性与稳定性的对应关系．方法采用系统分析的方法，建立了岩石非线性蠕变模型，对岩石试件的蠕变过程和反馈特性进行了描述和分析，讨论了蠕变过程中模型参数及其反馈特性和模型的稳定性．结果在蠕变过程中，第1阶段蠕变为负反馈，对应的系统状态是稳定的；第Ⅱ、Ⅲ阶段蠕变为正反馈，对应的系统状态是非稳定的，在外界扰动下会导致失稳．结论利用岩石在第Ⅲ阶段蠕变的正反馈对应加速蠕变特性，可为预测、预报系统的失稳现象提供理论依据．     

Creep properties and permeability evolution in triaxial rheological tests of hard rock in dam foundation

Triaxial creep tests were carried out under seepage pressure by using rock servo-controlled triaxial rheology testing equipment. Based on experimental results, rock rheological properties influenced by seepage-stress coupling were studied, and variations of seepage rate with time in complete creep processes of rock were analyzed. It is shown that, when the applied stress is less than failure stress level, the creep deformation is not obvious, and its main form is steady-state creep. When applied stress level is greater than or less than but close to fracture stress, it is easier to see the increase of creep deformation and the more obvious accelerative creep characteristics. The circumferential creep deformation is obviously higher than the axial creep deformation. At the stage of steady-state creep, the average of seepage flow rate is about 4.7×10⁻⁹ m/s at confining pressure (σ ₃) of 2 MPa, and is about 3.9×10⁻⁹ m/s at σ ₃ of 6 MPa. It is seen that the seepage flow rate at σ ₃ of 2 MPa in this case is obviously larger than that at σ ₃ of 6 MPa. At the stage of creep acceleration, the seepage flow rate is markedly increased with the increase of time. The variation of rock permeability is directly connected to the growth and evolution of creep crack. It is suggested that the permeability coefficient in complete creep processes of rock is not a constant, but is a function of rock creep strain, confining pressure, damage variable and pore water pressure. The results can be considered to provide a reliable reference for the establishment of rock rheological model and parameter identification.     

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.     

Visco-elastic-plastic model of deep underground rock affected by temperature and humidity

As the depth of exploitation increases, studies on constitutive models of rock affected by temperature and humidity become very important. Based on the Nishihara model, a visco-elastic-plastic rock model was established by using the coefficients of thermal and humidity expansion, thermal viscosity attenuation, humid viscosity attenuation and acceleration rheology components. We used the definition of a controlled heat circle to explain the model. The results show that the behavior of rock, affected by temperature and humidity, is stable as a function of time when the stress is lower than the first yield stress σS1;the creep rate will increase due to the effect of temperature and humidity when the stress is greater than or equal to σS1;the creep rate will accelerate at an increasing rate when the stress is greater than or equal to the second yield stress σS2,which results in a failure of the roadway. The model derived in this study can completely describe visco-elastic-plastic characteristics and reflects the three stages of rock creep.     

Creep behaviour of wood flour/poly(vinyl chloride) composites

The experimental creep data were focused on wood-flour (WF) /poly vinyl chloride (PVC) composites with the variations in additive concentrations of wood flour, silane coupling agent, organomodified montmorillonite (OMMT) and nano-cacium carbonate (nano-CaCO₃). Their effects were analyzed using the Four-element Burger Model incorporating microscopic mechanisms. Total creep strain was low with increasing WF while elastic strain was high and plastic flow strain was low in modeling. Modification of WF with silane was beneficial to creep resistance, so did adding low ratio of OMMT (1.5 wt%) and nano-CaCO₃ in composites. Thus, it was effective in reducing creep either by stiffening the PVC matrix using rigid nano-particles or by improving their adhesion with resin. However, superfluous quantity of any additament did not benefit the improvement owing to either earlier destruction of their agglomerates or stress-concentrated cracks in the over-incrassated interface.     

基于砂岩蠕变试验的非线性蠕变模型辨识研究

为了研究砂岩的蠕变特性,利用全自动三轴伺服仪对砂岩试样进行10 MPa围压下的常规三轴试验和蠕变试验。为有效描述蠕变全过程,提出了一种含分数阶导数的非线性蠕变模型并进行验证。结果表明:在蠕变衰减、稳定阶段,试样环向蠕变速率和轴向蠕变速率比较接近;在蠕变加速阶段,试样的蠕变速率迅速增大,环向较轴向先发生加速蠕变,且环向加速蠕变速率更大,稳定蠕变速率随着应力水平的增大而增大,环向稳定蠕变速率增幅较轴向大,可见环向蠕变速率受应力水平影响更大,建立的含分数阶导数的非线性蠕变模型能较好模拟蠕变全过程,具有较高的准确性。     

混凝土自锚式悬索桥徐变效应倒退分析

为混凝土自锚式悬索桥考虑徐变效应进行倒退分析提供一种计算方法，针对混凝土自锚式悬索桥考虑徐变效应分析需要，基于混凝土徐变机理提出一种倒退分析计算方法。首先以混凝土自锚式悬索桥已知时刻的结构状态为分析基础，引入混凝土倒退徐变系数，通过倒退徐变系数进行徐变效应分析得到加载龄期时的结构状态，然后以加载龄期结构状态为基础，利用徐变系数进行徐变效应分析，即可得到混凝土自锚式悬索桥任意时刻的结构内力及变形状态，整个分析过程的关键在于加载龄期结构内力状态分析。工程实例验证结果表明：混凝土徐变效应倒退分析过程方便简洁，分析结果准确、有效，适用于包括混凝土自锚式悬索桥在内的混凝土结构徐变效应倒退分析，对混凝土结构设计优化及施工过程控制具有一定的指导作用，为混凝土徐变效应分析提供了一种新的研究方法。     

电阻法在金属材料蠕变损伤检测中的应用

概述了国内外蠕变损伤的检测方法及现状,分析了金属材料在蠕变过程中损伤程度与电阻率之间的关系,提出了蠕变损伤检测的一种方法,对利用恒流源伏—安法测电阻,判断材料蠕变损伤情况的可行性进行了讨论与研究     

锯齿状结构面剪切蠕变、松弛及长期强度研究

为对结构面的蠕变、松弛和长期强度进行综合分析,用水泥砂浆浇筑成不同角度的结构面试样,采用相同的分级加载方法,在岩石双轴流变试验机上对规则齿形结构面进行剪切蠕变试验和松弛试验.首先分析了蠕变特性与松弛特性的异同及蠕变和松弛过程中剪应力-位移曲线的差异,其次基于蠕变速率及蠕变与松弛关系,推导能够描述应力松弛的经验方程,最后分别基于蠕变试验和松弛试验确定结构面的长期强度,并对长期强度进行对比分析.研究结果表明:蠕变曲线与松弛曲线形态相似,变化趋势相反;蠕变变形量和应力松弛量都随结构面爬坡角的增大而增大;蠕变过程和松弛过程的剪应力-位移曲线显示两者的应力-应变路径不同,表明蠕变和松弛过程中能量变化不同,且由于不可逆功的存在,不能简单认为蠕变和松弛是等价的;本文提出的应力松弛方程,能够较好地描述松弛过程,但蠕变方程和松弛方程的拟合参数值相差约1个数量级;基于相同的机理,根据蠕变试验和松弛试验确定的结构面长期强度不同,相差约为9%,而且长期强度值与蠕变过程和松弛过程中剪应力-位移曲线的屈服强度比较接近.     

坝区岩体的剪切蠕变经验方程及参数数值反演

岩体的剪切蠕变特性是影响坝区边坡岩体变形与长期稳定性的重要因素之一。利用现场剪切蠕变试验数据回归拟合得到了坝区“硬、脆、碎”辉绿岩脉的剪切蠕变经验方程,并由最小二乘法得到了剪切蠕变经验方程的拟合参数;提出了可以真实模拟现场剪切蠕变试验过程以及岩体实际地层分布情况的蠕变参数数值反演分析方法。通过对比分析可知,回归拟合变形值及数值反演计算变形值均与试验变形值比较接近,最大误差均未超过8％,表明剪切蠕变经验方程能有效反映坝区岩体的剪切蠕变变形特性,且建立的剪切蠕变数值模型也是合理可靠的,这为深入认识和了解坝区辉绿岩脉在不同应力水平下的剪切蠕变力学特性提供了重要的试验和理论依据,也为坝基边坡工程稳定性分析和设计提供了技术参数保证。     

以等应变速率曲线为基础的岩石长期强度确定方法

长期强度是岩石时效强度的一种,是影响和评价岩体工程长期稳定性的一个重要性质.为更准确地求解长期强度,以等应变速率曲线为基础,提出了等应变速率曲线拐点法及极限应变法两种确定岩石长期强度的新方法.对锦屏二级水电站的绿片岩开展了单轴和三轴应力状态的常规和分级加载蠕变试验以验证上述方法,并利用文中提出的方法对绿片岩长期强度求解,得到了不同围压状态下绿片岩的长期强度值.同时,在极限应变法的求解过程中,结合蠕变曲线,得到了蠕变变形稳定时间以及相应的极限应变值.试验成果表明:两种方法均可求得长期强度,数值接近且符合长期强度的经验值;单轴以及三轴应力状态下长期强度分别为瞬时强度的66.9%(单轴)、68.0%(围压10 MPa)、79.6%(围压10 MPa).文中提出的确定长期强度的方法具有一定的可行性,同时,围压是影响长期强度的主要因素之一,具体表现为随着围压的升高,长期强度与瞬时强度的比值升高.     

混凝土徐变系数与徐变度的对比分析

基于现有的试验资料,高层及大跨度民用建筑的徐变分析只能参照桥梁结构中的徐变系数方法或水工结构中的徐变度方法进行.从徐变系数的定义出发,利用积分中值定理和叠加原理,推导并修正了加载龄期与起算龄期不同时徐变收缩应变增量的表达式,对比了应用徐变系数分析徐变的有限元法和应用徐变度分析徐变的初应变法在效率和精度上的差别,并建议应从概念设计的角度出发,采用徐变度的初应变法来估算徐变对高层及大跨度民用建筑的影响.     

煤岩蠕变特性试验研究

利用自行研制的压缩蠕变试验装置,对煤样进行了蠕变试验研究,根据试验结果,将蠕变强度与瞬时强度进行了比较,拟合得出了蠕变曲线经验公式,认为蠕变试验曲线接近对数规律,建立了蠕变理论模型,并求出了相应的参数.