一种青藏高原冻结砂土蠕变本构模型

为描述青藏铁路沿线冻结砂土的蠕变特性,建立一个考虑应力和时间耦合的蠕变本构模型.首先进行一系列不同温度、干密度条件下的冻结砂土三轴蠕变试验;其次以Nishihara模型为基础,考虑应力和时间对模型元件的耦合影响,将黏弹性元件中定常的黏滞系数修正为时间和应力的函数,引入损伤变量改进黏塑性元件,构建新的冻结砂土蠕变本构模型;最后基于试验数据验证其科学性.结果表明:试验数据与拟合数据吻合良好,改进模型能较好地描述不同温度和应力水平下冻结砂土的衰减、稳态和加速蠕变特性;改进模型中黏弹性元件的黏滞系数、剪切模量和黏塑性元件的黏滞系数均随温度升高和应力水平增大而减小,损伤变量参数随着温度升高、应力水平增大而增大.成果可为冻结砂土蠕变沉降预测提供一种新的选择,为蠕变理论研究积累资料.     

软岩黏弹塑性流变特性及非线性蠕变模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司Ⅲ矿区软弱矿岩进行流变试验,探讨了软弱矿岩的黏弹塑性变形特性.建立了软岩的非线性蠕变模型.结果表明:分级增量循环加卸载下软岩有明显的瞬时应变硬化趋势,软弱矿岩JC1099试件的黏弹性应变分量与黏塑性应变分量之比为3.15～6.58,随应力水平的增加蠕应变中黏塑性应变占的份量总体上有增加走势;在低应力水平下,蠕变变形趋于稳定状态,在高应力水平下,软岩蠕变往往表现出加速蠕变特性.建立的非线性蠕变模型可以用统一的蠕变方程来描述软岩蠕变的3阶段,将该模型应用于金川Ⅲ矿区矿岩蠕变试验,蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

岩石蠕变的热力学本构模型及应用分析

通过建立一个基于非平衡态热力学的岩石黏-弹-塑性本构模型,用以分析岩石的蠕变变形和蠕变失稳问题.该模型不同于经典弹-塑性模型,从可逆、不可逆能量过程及能量的涨落出发,推导得到了可统一描述岩石黏-弹-塑性行为的本构关系,无需屈服面、流动法则等概念.它通过将应力划分为弹性应力和黏滞应力来描述岩石的黏-弹性行为,而通过耗散流和涨落运动的概念来描述岩石的黏-塑性行为.分析表明,该模型可以反映岩石在高围压下延性破坏、在低围压下脆性破坏的特征,同时也可较好地预测岩石的蠕变变形和蠕变失稳规律,并可较好地阐述其中的物理机制.     

营口地区软土流变模型参数及流变特性研究

根据辽宁营口地区淤泥质粉质粘土的流变试验,对流变模型参数及流变特性的变化规律进行探讨.研究表明:运用模型理论建立的流变模型的线性粘弹性参数在低应力水平下是惟一的,但非线性粘弹性参数不惟一,并随应力水平的变化而变化,而粘塑性参数的大小决定了应力应变等时曲线的形状.此外,流变模型的参数随试验条件的不同而变化.基于营口地区淤泥质粉质粘土的粘弹性及粘塑性流变特性,指出二者随时间和应力水平的变化表现出不同的流变特性.     

适用于海洋土的弹塑性本构模型

高围压和高孔隙水压会对海洋土的力学性质产生影响,一方面会在土颗粒之间形成黏结应力,另一方面会使土的剪胀行为逐渐过渡为剪缩行为.基于修正剑桥模型理论,引入修正参数α,改进修正剑桥模型剪胀方程,使它能够反映砂土的剪胀特性和剪切强度随有效围压增大而增大的特点.同时修改原修正剑桥模型的屈服面,考虑黏结应力pb的影响,从而建立能够反映海洋土力学性质的弹塑性本构模型.最后将改进后的模型理论值与已发布文献中试验值对比,发现二者具有较好的一致性,表明了该模型的合理性.     

软岩巷道锚注支护结构蠕变分析

对锚注前软岩巷道围岩应力状态进行弹塑性分析,计算出锚注前围岩残余强度区半径;在此残余强度区内进行注浆,并将注浆区再细化为弹性区和塑性区,引入岩石蠕变的鲍尔丁-汤姆逊模型,建立了软岩巷道锚注支护结构的蠕变分析模型,采用塑性区岩体体积不变的假设,对锚注支护结构进行了黏弹性分析和黏塑性分析,推导出软岩巷道锚注支护结构应力及位移的蠕变公式.理论分析与相似模拟结果表明:软岩巷道锚注支护结构弹性区应力与时间无关,塑性区应力随时间而变化;弹性区、塑性区位移随时间的推移而不断增大,最后趋于一定值,且塑性区位移与半径成反比关系.     

高渗透压脆性岩石循环蠕变宏细观力学机理研究

高渗透压、围压及轴向循环静态加卸载共同作用下,脆性岩石循环蠕变力学特性对深部地下工程围岩稳定性评价有着重要意义;且岩石内部细观裂纹反向滑动及已扩展裂纹闭合恢复机理研究极为欠缺。本文基于轴向加载、围压与渗透压共同作用下岩石内部初始裂纹面正向滑动诱发的翼型裂纹扩展模型,引入轴向卸载、围压与渗透压共同作用下的初始裂纹面反向与静止滑动力学特性,解释了已扩展翼型裂纹的恢复机理,建立了一种考虑轴向加卸载、围压与渗透压共同作用下,初始裂纹面正向、反向或静止滑动的应力强度因子表达式。在此基础上,结合亚临界裂纹演化法则、裂纹与应变关系及Hooke-Kelvin模型,提出一种岩石内部高渗透压、外部围压与轴向循环加卸载,共同驱动翼型裂纹扩展、恢复作用下的循环蠕变宏细观力学模型,该模型描述了岩石完整的弹性、黏弹性、塑性变形行为。研究了高渗透压对初始裂纹面正向滑动与翼型裂纹扩展诱发的脆性岩石弹-黏-塑性应力-应变曲线影响,为弹-黏-塑性循环蠕变的应力、弹性模量参数选取提供依据。分析了高渗透压对初始裂纹面正向、反向、静止滑动与翼型裂纹扩展、恢复诱发的循环蠕变中黏弹性应变ε1ve、纯塑性应变ε1p及总应变ε1的影响。讨论了渗透压对弹性回弹应变、与已扩展裂纹恢复相关的塑性回弹应变、循环蠕变失效时间和失效应力的影响,并研究了围压对弹-黏-塑性循环蠕变应变的影响。研究结果为高渗透压地下工程围岩循环蠕变寿命评价与预测提供了一定帮助。     

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.     

掺砾黏土蠕变性质的三轴试验

为分析掺砾量、围压和应力水平对掺砾黏土蠕变性质和规律的影响,对以不同黏土和砾混合比备制的掺砾黏土进行了不同围压和不同应力水平下的三轴排水蠕变试验。土样掺砾量分别为30%、40%、50%和70％,试验围压50kPa~200kPa,应力水平0.21~1.04。试验结果表明掺砾黏土受荷后发生较明显的瞬时变形和蠕变变形,其蠕变变形将趋于一稳定值;蠕变变形随应力水平和围压的增大而增大,随掺砾量的增加而减小。提出一个三参数经验蠕变方程以表示掺砾黏土的应力水平-轴向应变-时间关系,其中轴向应变-时间关系和应力水平-轴向应变关系以双曲线方程表示,并分析了模型参数的意义和取值。     

考虑温度效应的路基粗粒填料亚塑性模型

为了研究温度效应对路基粗粒填料静力剪切特性的影响,对GDS大三轴试验系统进行温控模块升级,采用循环流体加热模式实现对试样温度的精准控制. 选取浙江省某路基采石场碎石填料进行饱和排水剪切试验,分析不同温度下低围压路基填料静力剪切特性. 基于试验数据,建立剪胀指数与围压之间的关系,对von Wolffersdorff亚塑性模型进行改进以反映路基填料在低围压下的剪胀性. 在此基础上,提出温度对粗粒填料剪胀性及强度影响的本构关系式,建立考虑温度效应的路基填料亚塑性模型. 研究表明,温度升高使密实路基填料表现出软化现象,峰值强度随温度升高而降低;路基填料围压越高,峰值强度随温度的衰减越明显;残余强度基本不受温度变化影响. 所建立的模型能够模拟低围压填料强度与围压的非线性关系,准确反映不同温度下密实路基填料的剪切特性,可以作为温度效应下粗粒土剪切特性模拟的有效工具.     

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.     

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。     

饱和软粘土的流变和循环流变试验研究

分别对上海淤泥质饱和软粘土进行了长期流变和循环流变试验,得出其在不同围压、不同偏压和不同动应力作用下的变形规律。结果显示,围压相同时,偏压比大,试样的流变变形大,而偏压比相同时,围压大,流变变形也大;循环流变试验总体规律和流变试验相同,但经过一个循环加载阶段之后,随后的流变变形则很小。这些结论对今后软土地区高速公路、铁路和地铁建设提供一些帮助。     

岩石节理面剪切流变的试验研究

通过对龙滩水电站岩石节理样本进行快剪和剪切流变试验的比较研究，分析了节理面流变对剪切强度的影响及剪切蠕变机理，确定了节理面的长期抗剪强度，并从岩石理论模型出发，对试验数据进行了回归分析，建立了不同正应力作用下的剪切蠕变经验公式，以便于了解岩石材料在给定条件下的蠕变特性。     

沥青混合料损伤蠕变模型试验研究

在三元件黏弹性模型基础上耦合一个连续性损伤因子,构建一个能够描述沥青混合料三阶段蠕变全过程的损伤蠕变模型。综合考虑黏弹性特性与损伤机制,推导了该模型的本构方程,分析了沥青混合料的蠕变特性。通过沥青混合料在不同应力水平下的单轴压缩蠕变实验,编制非线性拟合程序,得到模型参数和损伤演化曲线。将不同应力条件下模型预测值与实验结果进行对比,结果表明,该模型能准确反映不同应力水平下沥青混合料蠕变过程三个阶段的特征和进入破坏阶段的临界时间。     

宁波软土流变试验及经验模型

为了研究宁波软土的流变特性及经验模型,进行一维固结流变试验和三轴排水流变试验,并采用西原模型拟合模型参数.试验对比分析表明,固结试验的侧限作用会阻碍试样流变的发展,应力-应变等时曲线偏向应力轴,而三轴流变试验试样的流变能够得到充分地发展,应力-应变等时曲线偏向应变轴,能够更好地体现软黏土的流变性状.将一维西原模型应力-应变关系扩展到三维,采用修正剑桥模型屈服函数描述材料的塑性屈服.推导荷载恒定时土样的轴向应变计算公式,根据三轴排水流变试验结果进行曲线拟合,确定西原模型参数.结果表明,该模型能够较好地符合宁波软土的流变规律.     

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。     

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。     

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.