一种新的岩石非线性流变损伤模型研究

传统岩石流变模型由线性元件组合而成,不能很好地描述流变过程中的加速流变阶段,通过分析岩石流变过程中微裂纹的压闭和扩展过程,将损伤力学引入岩石流变模型中,采用Kachanov提出的损伤律,将岩石流变过程分为阶段一（衰减、稳态蠕变阶段）和阶段二（加速蠕变阶段）两个部分,推导了岩石在两阶段中损伤演化方程,通过参数敏感性分析发现应力水平的大小对损伤演化过程有较大影响。结合有效应力观点建立了岩石非线性损伤流变模型,该模型能较好的描述岩石的衰减、稳态和加速流变阶段,同时简要分析了模型的松弛特性。采用该岩石非线性损伤流变模型对泥岩在围压为5 MPa与轴向偏应力水平为43 MPa的蠕变试验结果进行了模拟,验证了损伤流变模型的合理性,保持其他参数不变,更改应力水平的大小,得到不同应力水平下的非线性损伤蠕变模型曲线,与试验结果较为相符,     

基于统计损伤原理的岩石加速蠕变模型研究

针对现有蠕变理论模型无法较好地描述岩石黏塑性阶段的加速蠕变特性及如何确定岩石加速蠕变阶段的启动条件等问题,对取自阜新恒大煤矿深部围岩开展了室内三轴蠕变试验,分析了岩石在蠕变变形规律。为了使建立的模型不仅较好地描述岩石蠕变特性,也可以较好与经典蠕变曲线各阶段相对应,通过经典的蠕变变形示意定义了各个分段临界点的指标,进而建立了一种考虑加速蠕变变形的新型岩石黏弹塑性蠕变模型。结果表明:在考虑岩土类内部缺陷发育的基础上,采用统计损伤理论来构建岩石加速蠕变模型,使得试验曲线也与模型曲线具有良好的吻合度,说明了基于统计损伤原理建立的岩石加速蠕变模型,来反映岩石蠕变全过程曲线是正确的;这也证明了采用统计损伤变量和经典蠕变曲线定义的临界点指标的正确性。岩石蠕变加载过程也是一种岩石内部微元体损伤破坏的过程,在材料微观结构上表现为不可逆性。通过将蠕变曲线分阶段,来定义分段临界点的损伤变量的表达形式,结合统计损伤理论和Perzyna黏塑性模型,对传统的西原体模型进行适当的改进,建立非线性蠕变损伤模型,从而更好地体现了损伤受岩石内部应力应变状态影响和损伤演化规律。     

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。     

岩石弹黏塑性流变试验和非线性流变模型研究

采用分级增量循环加卸载和单级加载方式,对金川有色金属公司 III 矿区二辉橄榄岩试样进行弹黏塑性流变试验,在对流变试验数据进行深入分析基础上,详细研究该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特性,将衰减蠕变曲线分离为黏弹性分量与黏塑性分量,研究各衰减蠕变变形分量的非线性特征,建立定常流动速率及加速蠕变率的应力、时间的拟合函数.根据不同应力水平下的加、卸载蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、黏塑性改进Bingham体串联而成的新的岩石非线性弹黏塑性流变模型,对模型参数辩识,提出非线性元件参数的确定方法.该流变模型具有两个屈服极限且流变元件参数是关于应力和时间的拟合函数,考虑了衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段的非线性特征,能反映不同应力水平下岩石流变规律,尤其能较合理地模拟岩石加速蠕变,从理论上给出非线性弹黏塑性流变模型的松驰方程和三维蠕变方程.利用不同应力水平下岩石蠕变全程试验曲线,对提出的非线性弹黏塑性流变模型进行充分验证.试验曲线与非线性流变模型理论曲线较吻合,显示所建非线性弹黏塑性流变模型的正确性与合理性.     

低渗透岩石流变过程渗透演化规律试验研究

以二长花岗岩为研究对象,采用分级加载方式,开展不同围压和渗压作用下渗流–应力耦合三轴流变试验,研究低渗透岩石在流变过程中渗透性演化规律。基于试验结果,分析二长花岗岩分级加载流变全过程中渗透率变化规律和演化机制,特别是在低应力水平和流变破坏应力水平下的渗透率演化;并探讨流变加速阶段渗透率和体积应变的关系。试验结果表明,岩石在较低应力水平作用下渗透率变化基本保持稳定趋势,而在破坏应力蠕变加速阶段,渗透率会发生明显的加速增长现象;同时,蠕变三阶段过程中的渗透率变化速率和流变速率演化规律基本一致,即衰减阶段逐渐减小,稳态阶段保持稳定,加速阶段迅速增长。     

辉绿岩非线性流变模型及蠕变加载历史的处理方法研究

 分级加载的流变试验方法采用单个岩样进行试验,可避免岩样离散性对流变变形的影响,但后级载荷的变形量包含前面各级载荷产生的蠕变变形,很容易引起混淆。详细分析流变介质对加载历史的记忆效应,并给出考虑加载历史的蠕变数据处理的具体步骤和数学依据。同时,对大岗山水电站坝基辉绿岩三轴流变试验曲线进行整理,分析其典型的流变特性。根据不同应力水平下的蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、非线性黏塑性体串联而成的岩石非线性黏弹塑性流变模型。该流变模型通过引入非线性黏塑性体可以描述岩石流变的减速、等速特别是加速蠕变阶段。推导非线性黏弹塑性模型的三维蠕变方程,利用不同应力水平下岩石蠕变试验曲线,对流变参数进行反演。结果表明,非线性流变模型计算曲线与试验曲线较吻合,证实所建模型的正确性与合理性。     

北山花岗岩三轴压缩下声发射特征及损伤演化规律研究

为研究北山花岗岩在不同围压下的力学特征和损伤演化机制,选用MTS815 Flex Test GT电液伺服岩石力学试验系统和PCI–2声发射系统开展三轴压缩声发射试验,建立基于声发射累计振铃计数率的三轴压缩下北山花岗岩损伤演化模型,分析其损伤特性和损伤演化规律。研究结果表明:(1)北山花岗岩在常规三轴压缩条件下,力学、声发射参数均表现出明显的围压效应,适当提高初始围压,是促进原生裂隙快速闭合、阻碍新生裂隙形成发展的有效途径;(2)通过对应力–时间–声发射参数曲线分析可知,声发射振铃计数率的不同时段、能量累计数的5个阶段与岩石受压变形的5个阶段有着良好的对应关系;(3)将损伤演化过程划分为损伤形成阶段、损伤稳定增长阶段、损伤加速增长阶段和损伤破坏阶段,可合理地反应北山花岗岩在不同围压、不同破裂阶段的变形和破坏特征。     

坝基硬岩蠕变特性试验及其蠕变全过程中的渗流规律

 采用先进的岩石全自动流变伺服仪,对坝基坚硬岩石变质火山角砾岩进行渗透水压力作用下的三轴流变力学试验。基于试验结果,研究变质火山角砾岩在不同围压下的蠕变特性,并分析岩石蠕变全过程中渗流速率随时间的变化规律。研究结果表明,当所施加应力水平小于岩石破裂应力水平时,变质火山角砾岩轴向蠕变变形不明显,且主要表现为稳态蠕变;当施加应力水平大于或小于但接近岩石破裂应力水平时,出现明显蠕变变形,蠕变速率开始增加,且发生加速蠕变破裂,表现出较为明显的加速蠕变特性。变质火山角砾岩环向蠕变变形量明显大于轴向蠕变变形量,表现出明显体积扩容现象。变质火山角砾岩稳态蠕变阶段的渗流速率随时间变化不大,但加速蠕变阶段的渗流速率明显增大,围压2 MPa下变质火山角砾岩的渗流加速度大于围压6 MPa下的渗流加速度。试验结果旨在为岩石流变本构模型及参数辨识提供可靠的试验依据。     

锦屏水电站绿砂岩三轴卸荷流变试验及非线性损伤蠕变本构模型研究

 以锦屏二级水电站引水隧洞绿砂岩为研究对象,采用恒轴压、逐级卸围压的应力路径开展室内流变试验,研究卸荷条件下的轴向及侧向变形特征。成果表明：侧向塑性变形的发展速率明显比轴向快,岩样破坏前在侧向反应要比轴向更为明显。在对流变试验数据进行深入分析基础上,从材料损伤的角度出发,认为岩石流变力学参数随着黏性应变的负指数形式逐步弱化,从而建立起岩石损伤演化方程及变参数非线性Burgers模型。基于Levenberg-Marquardt(LM) 算法,以残差平方和为目标函数,对试验数据开展相应拟合,所获得的参数可较好反映蠕变曲线的非线性特征。经比较,计算曲线与试验点曲线比较接近,说明该流变本构模型能较好的反映出锦屏绿砂岩在卸荷条件下的衰减蠕变阶段和稳定流变特性。     

岩石流变特性及长期强度的试验研究

研制重力驱动偏心轮式杠杆扩力加载式流变仪，其扩力比稳定在120，误差在4‰以内，可实现任意长时间的恒定加载，满足流变试验的要求。应用该流变仪，对红砂岩的蠕变特性进行单轴压缩蠕变试验研究，重点观察和分析岩石横向蠕变规律与轴向蠕变规律的差异，并根据试验结果对岩石长期强度的确定进行分析。试验结果表明，横向稳定蠕变阶段的应力闽值低于轴向稳定蠕变阶段的应力阈值；横向蠕变有明显的加速蠕变阶段，且比轴向加速蠕变阶段出现得早；轴向蠕变的第二阶段则不太明显，且一经出现试样随即破坏。根据试验结果，考虑岩石蠕变的“岩石的长期强度”应根据岩石进入横向稳定蠕变的阈值应力来确定，这样确定的“岩石长期强度”值要比根据岩石进入轴向稳定蠕变的阈值应力确定的“岩石长期强度”值小19％～35％。这一结论对考虑蠕变稳定性的岩土上程设计具有重要的指导意义。     

软岩三轴蠕变特性的试验研究

采用重力加载式三轴流变仪,在低围压条件下对龙口矿区含油泥岩的蠕变特性进行三轴蠕变压缩试验研究,重点观察和分析蠕变条件下围压对岩石蠕变参数的影响,同时对其他时效变形特点进行分析.试验结果表明,含油泥岩存在一个起始蠕变应力阈值,该阈值随围压的加大呈线性增加;其蠕变破坏应力也大致与围压成比例关系,但两者随围压的增长率差异很大.含油泥岩的蠕变只有2个阶段：当轴向应力小于蠕变破坏应力时,蠕变呈衰减状态;当轴向应力大于蠕变破坏应力时蠕变转化为加速状态,但试验中没有观测到等速蠕变阶段.含油泥岩黏滞系数较小,显示出其流动变形大的特点.虽然黏滞系数近似为围压的线性函数,但增长率远小于前两者,表明低围压对软岩的流动变形影响较弱,该结果可为蠕变型软岩巷道的稳定性控制提供一定的试验依据.     

高温静水应力状态花岗岩中钻孔围岩的 流变实验研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”对f 200 mm×400 mm的内含f 40 mm钻孔的花岗岩体高温三维静水应力状态的流变特性进行了深入的研究。研究结果表明：(1) 花岗岩是由多种晶体胶结而成的脆性坚硬岩石,5 000 m静水应力以内及600 ℃以内的恒温恒压状态下,花岗岩中钻孔围岩主要表现为稳态蠕变;当应力达到5 000 m静水应力,温度为600 ℃时的蠕变为非稳态蠕变。(2) 高温静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩蠕变过程存在应力阈值和温度阈值。(3) 热力耦合作用下钻孔围岩内部晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,是高温高压下钻孔围岩蠕变存在温度阈值和应力阈值的主要原因。(4) 高温静水应力状态下,含有钻孔的花岗岩体流变破坏的应力为5 000～6 000 m的静水应力(125～150 MPa),温度为500 ℃～600 ℃,破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。同时,获得了600 ℃以内及埋深6 000 m以内静水应力条件下,不同温度不同埋深静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩的蠕变率参数,为高温岩体地热开发钻井井壁稳定性研究提供了重要的力学参数依据。     

绿片岩蠕变损伤本构关系研究

通过对绿片岩三轴蠕变试验数据的研究,分析绿片岩蠕变过程中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的各自特征,表明在蠕变加速阶段绿片岩的损伤在急剧增加。对于广义Bingham蠕变模型,在衰减和稳态蠕变阶段引入一非线性函数,在加速蠕变阶段引入损伤,建立绿片岩的蠕变损伤本构关系。通过岩石全自动流变伺服仪上得到的绿片岩流变数据来对新的蠕变损伤模型参数进行辩识,得到蠕变损伤模型的材料参数。蠕变损伤模型和试验结果相比较,发现该模型能够很好地描述蠕变曲线中初始的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,从而证明该模型的正确性和合理性。     

软岩的损伤西原流变模型及FLAC3D实现

流变是工程软岩岩体的一个重要特性。流变过程中,岩体参数随时间发生损伤衰减。作为常用的本构模型之一,西原流变模型能较为综合地反映岩体弹-黏弹-黏塑性流变性质,但其元件各参数通常假定为常数,对加速蠕变阶段的岩体状态描述不够准确,与实际出入较大。基于西原模型,结合由损伤导致的参数衰减,提出了考虑损伤的西原流变模型及结合三轴压缩试验确定损伤阈值的方法,并进行了FLAC^3D自定义本构模型二次开发。用本模型对已有文献中的三轴试验进行数值模拟,得到的结果与原试验对比,结果表明:考虑损伤的西原流变模型与实际情况较为吻合;实验加载曲线中体积应变有明显拐点,之后损伤急剧增大,可确定为损伤阈值。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

三轴压缩下岩石类材料的细观损伤–渗流耦合本构模型

 岩石类材料的微缺陷主要有微裂纹和微孔洞,当压力水渗透到微裂纹中时,可在微裂纹上产生附加张开应力。利用叠加原理,对计及微裂纹内水压力的岩石类材料在三轴压缩应力下的响应特性进行分解。考虑无限大体深埋椭圆形裂纹在远场三维压缩应力下的变形、扩展和偏折,得到代表性单元中任意空间取向的单个闭合椭圆形微裂纹及其偏折微裂纹引起的附加柔度张量。假设三轴压缩下,代表性单元渗透特性变化主要取决于偏折微裂纹扩展所引起的法向开度变化,结合达西定律和立方定理,推导出单个偏折微裂纹的附加渗透张量表达式。采用Taylor方法考虑微裂纹系统对代表性单元变形和渗透性影响,利用概率密度函数得到三轴压缩下岩石类材料的三维细观损伤–渗流耦合本构模型。数值计算表明采用本模型的计算结果与试验结果吻合较好。     

循环加卸载下煤的黏弹塑性蠕变本构关系研究

 基于岩石三轴循环加卸载蠕变试验,对试样的蠕变应变进行有效的黏弹塑性应变分离,根据试样的弹性蠕变特性和塑性蠕变特性分别建立相应的蠕变模型,继而得到岩石的黏弹塑性蠕变模型,该模型能较好地描述试样的衰减和稳态蠕变特性。为了能够较好地描述岩石加速蠕变特性,在塑性蠕变模型中引入损伤因素,建立相应的弹塑性损伤蠕变模型,对该模型参数进行敏感性分析,同时给出模型参数确定方法。所建模型黏弹塑性概念清晰,模型参数较少。对煤进行三轴循环加卸载蠕变试验,分析蠕变试验中煤样的弹塑性应变特性以及试样的稳态蠕变速率演化规律,用该黏弹塑性蠕变模型对煤样的三轴压缩蠕变试验结果进行拟合,结果表明,该模型能很好地描述循环加卸载路径下试样的弹塑性加载和弹性卸载蠕变特性。     

变围压条件下致密砂岩力学性质实验研究

 储层有效应力改变条件下的岩石力学性质认识对气藏高效开发十分重要，但理想的实验方法及结果较少。为研究气藏开发过程有效应力不断增加时致密砂岩力学性质的变化规律，在GCTS–RTR–1000型三轴岩石测试系统上进行了有效应力不断增加条件下三轴压缩变形实验。实验结果表明，随着围压的增加致密砂岩变形模量和泊松比不断增加。与常规恒定净围压下力学实验对比，在同一净围压下，围压不断增加时的变形模量要高于恒定围压下的变形模量、围压不断增加条件下测得的泊松比则较恒定围压下测得的泊松比低。     

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。