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。     

高温后花岗岩的劈裂试验及热损伤特性研究

采用电液伺服试验系统对高温后的花岗岩试样进行巴西圆盘劈裂试验,比较分析不同温度(25℃~1 000℃)作用后花岗岩的劈裂破坏形态、荷载–位移曲线、抗拉强度等,提出径向模量的概念,并据此定义热损伤变量,从损伤力学角度研究花岗岩在拉伸破坏条件下的热损伤特性。研究结果表明:随着温度的升高,花岗岩试样发生脆–塑性转化,其荷载–位移曲线由"下凹"向"上凸"转变,试样的抗拉强度与径向模量均呈下降趋势,并表现出较明显的阶段特征,其中径向模量在100℃时不减反增;热损伤变量总体上随温度升高而递增,但在100℃时出现"负损伤";最后,推导适用于本文条件的热损伤演化方程与热–力耦合本构模型,模型曲线与试验曲线基本吻合。     

高地应力下花岗质片麻岩蠕变损伤模型研究

高海拔地区深埋隧道的花岗质片麻岩在高地应力条件下具有较强的蠕变力学特性,易导致隧道结构开裂,对结构的安全性和耐久性影响较大。在花岗质片麻岩基本力学特性试验的基础上,对其开展了高围压下的三轴蠕变试验。研究表明: 随着围压的增大,轴向蠕变量减小显著,环向蠕变量受影响较小;不同围压下的加速蠕变阶段,环向蠕变效应均比轴向更显著;破裂面倾角随围压的增大逐渐减小。基于蠕变试验结果,分析了花岗质片麻岩的损伤演化规律,提出了指数型损伤变量,将传统Burgers蠕变模型改进为能够描述加速蠕变段的全损伤蠕变模型,并推导了一维和三维蠕变损伤方程,利用加速蠕变阶段的试验数据对模型进行了参数识别,拟合效果较好。     

高温后花岗岩冲击破坏行为及波动特性研究

 采用SRM–5N超声检测分析仪和高温分离式霍普森压杆(SHPB)系统装置,分别对不同高温后花岗岩的波动特性和动态力学特性进行试验研究,分析不同温度条件对花岗岩纵波波速、波形频谱的影响,研究高温后花岗岩的动态抗压强度、峰值应变以及冲击破碎形态的变化情况。试验升温等级设为25 ℃,100 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800℃,1 000 ℃七个等级,升温速度为10 ℃/min。试验结果表明：(1) 随着温度的增高,花岗岩试样的热损伤总体上呈逐渐增大趋势。但是100 ℃之前热损伤有所降低,出现负的热损伤,随后热损伤不断增加,直到600 ℃以后热损伤增幅开始变缓。(2) 随着温度的升高,试样的动态抗压强度总体减小,峰值应变总体增大;但是在110 ℃左右,抗压强度有所增强,峰值应变有所减小;600 ℃之后抗压强度和峰值应变分别显著减小和增大。(3) 推断110 ℃左右为花岗岩一个阈值温度,在这个温度之前,温度的对花岗岩产生负损伤,花岗岩强度增强;推断600 ℃～800 ℃范围内存在为花岗岩另一个阈值温度,超过这个温度花岗岩的力学性能发生显著变化。该方法和成果可为岩体工程施工、防火设计以及火灾后评估修复提供一定参考价值。     

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η〖KG0.005mm〗 M、瞬时变形模量E M、粘弹性变形模量E K、粘弹性粘滞系数η〖KG0.005mm〗 K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。     

基于Lade-Duncan理论的成都黏土统计损伤蠕变模型

为了研究成都黏土的力学特性,基于Lade-Duncan强度理论,建立成都黏土微元体的破坏判据;假设成都黏土微元体损伤服从对数正态分布,建立黏土的损伤变量关系式;通过蠕变试验和分数阶导数理论,分别构建应力条件下的瞬时弹性变形模型和分数阶蠕变模型,并根据黏土应变统一,构建基于Lade-Duncan强度理论的成都黏土统计损伤蠕变本构模型;利用构建的模型进行拟合验证分析发现,瞬时变形的弹性模量由于考虑损伤变量而保持在初始值附近,分数阶蠕变变形的弹性模量和粘滞系数随着应力的增大而减小,表明在黏土模型中考虑统计损伤是科学合理的;分数阶阶数n不仅可以提高对黏土变形特性的描述程度,还可以直观地反映黏土变形的非线性变化过程。     

热力耦合作用鲁灰花岗岩蠕变声发射规律

研究3种试验条件(300℃轴压94 MPa围压75 MPa,400℃轴压125 MPa围压100 MPa,500℃轴压175 MPa围压125 MPa)下花岗岩体(200 mm×400 mm)的蠕变声发射规律。研究结果表明:(1)花岗岩300℃轴压94 MPa围压75 MPa蠕变试验,整个过程经历瞬态蠕变和稳态蠕变2个阶段,蠕变第一阶段声发射信号强于蠕变第二阶段声发射信号,稳态蠕变阶段声发射活动较弱,声发射频度稳定,强度逐渐降低;400℃轴压125 MPa围压100 MPa花岗岩蠕变试验只经历稳态蠕变阶段,蠕变声发射规律与300℃稳态蠕变阶段相似;500℃轴压175 MPa围压125MPa采集到的声发射信号微弱,无法说明蠕变过程中声发射规律。(2)高温高压蠕变试验中,随着温度升高,花岗岩内部发生不同程度塑性变形和局部塑性破坏,蠕变声发射信号减弱。     

大理岩热损伤声发射力学特性试验研究

为研究经过不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程,对25℃,200℃,400℃和600℃后的大理岩进行单轴压缩试验,并监测其全变形过程的声发射现象,对其声发射特性、破裂模式、启裂应力和损伤应力取值范围、损伤演化规律及应力–应变模型进行研究。研究表明,随着大理岩经历温度的升高,岩石峰值强度逐渐降低,峰值应变增大,岩样延性增强;高温后大理岩的声发射特性与常温有明显区别,热损伤导致岩样加载初期声发射信号比较活跃,而进入弹性阶段后,声发射活动性不如常温下剧烈;用声发射法求出归一化启裂应力和归一化损伤应力的范围分别为0.33~0.46和0.71~0.82,随着温度升高,二者有增大的趋势;600℃以内,岩样破坏模式由单一劈裂破坏向多劈裂面破坏转变,最后变为单剪破坏,试验表明声发射定位与岩样宏观破裂规律对应较好。同时,建立基于累计振铃计数的损伤变量,25℃下岩样损伤演化过程分为4个阶段,高温后岩样初始损伤变大,损伤变量随应变演化变得缓慢。根据裂纹轴向应变规律和声发射参数推导大理岩变形全过程应力–应变本构模型,模型计算结果与试验曲线吻合较好,且温度越高,模型适用性越好。     

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

 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×400mm的花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在600 ℃以内及6 000 m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明：(1) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段：低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2) 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500 ℃～600 ℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6 000 m埋深静水压力,600 ℃左右;(3) 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4) 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。     

全长黏结螺纹玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆蠕变试验研究

 通过4根全长黏结螺纹GFRP抗浮锚杆在长期荷载作用下的拉拔蠕变试验,研究了GFRP抗浮锚杆抗拔蠕变力学模型,计算出模型中的蠕变参数并对模型的正确性进行验证。另外,引入时间损伤效应的概念,结合蠕变力学模型推导出GFRP抗浮锚杆的长期抗拔力。结果表明,中风化花岗岩中GFRP抗浮锚杆在40%的极限荷载下才发生蠕变,GFRP锚杆在低荷载水平下蠕变性能优良,能够满足工程需要;Burgers力学模型能够很好的描述GFRP抗浮锚杆的蠕变规律,模型预测结果与试验结果具有较好的吻合程度,且随着拉拔荷载的增大,模型中的各力学参数均逐渐减小;建立的蠕变损伤模型用于预测GFRP抗浮锚杆的长期抗拔力具有较好的适用性。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

盐岩蠕变特性温度效应的实验研究

对经历不同温度后的盐岩蠕变特性进行了实验研究,研究了应力水平和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了其稳态蠕变率本构方程。分析结果表明:偏应力和温度对盐岩稳态蠕变率影响较大;稳定蠕变应变率本构方程是作用在盐岩上的应力偏量的幂次函数和能量与温度的指数函数。并从盐岩蠕变模量随蠕变时间的变化规律入手,导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演化方程和用损伤表示的蠕变模量演化方程。     

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

 基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC++编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。     

脆性岩石的细观裂纹损伤及其时效特征

本文在单调加载和恒载蠕变条件下进行了脆性岩石损伤动态全过程的细观试验．研究了细观裂纹的形式、发展及其损伤效应．探讨了断裂过程区的细观裂纹损伤特性．结果表明．细观裂纹是导致脆性岩石损伤极其重要而基本的因索．且具有显著的时效特征．在此基础上．将细观裂纹几何参数与岩石宏观力学参量相联系，分别建立了脆性岩石在单调加载和蠕变条件下的细观裂纹掏伤模型．并作了相应验证．     

软岩蠕变损伤特性的试验与理论研究

 在高地应力软岩隧道修建过程中,由于围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性。岩石的蠕变损伤与其内部微裂纹的延伸和扩展密切相关,宏观表现为蠕变过程中的体积扩容,通过对岩石扩容过程中损伤耗散能变化规律的分析,建立蠕变损伤演化方程,通过引入蠕变损伤因子对ABAQUS软件自带的蠕变模型进行修正,得到非线性蠕变损伤模型。应用所建立的蠕变损伤模型,对宜巴高速泥质红砂岩的三轴蠕变试验结果进行反演,结果表明,该模型可以很好地反映高地应力软岩在蠕变中的减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个阶段。     

沥青混合料低温性能评价指标研究

通过对现有评价沥青混合料低温性能的试验方法和评价指标的对比，论述了低温弯曲和弯曲蠕变试验是较为经济可行的试验方法，破坏能是较好地评价沥青混合料低温性能的指标，并应用低温弯曲和弯曲蠕变试验所得数据，提出了破坏能的简单计算方法。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 引进岩石时效强度理论及Kachanov损伤理论,建立以时间变量表示的岩石损伤表达式,并将其与岩石黏塑性流变参数相联系,建立包含加载时间、加载应力等变量在内的岩石黏塑性流变参数非线性表达式,代入西原模型后即建立非线性黏弹塑性蠕变模型。当岩石受到的应力大于岩石长期强度时,岩石即出现损伤,岩石内部的微结构发生变化,岩石的黏塑性流变参数将随时间非线性变化。将建立的模型编入有限元计算程序,并进行数值试验,结果表明所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,可以统一描述软岩和硬岩的蠕变破坏过程,既可以描述软岩在加速蠕变阶段的渐变破坏过程,又可以描述硬岩在加速蠕变阶段的陡然破坏过程,具有广泛的适应能力。将大理岩、盐岩的蠕变破坏试验结果与计算模拟结果进行对比,两者基本吻合,从而验证了模型的正确性。这些成果表明所建模型将具有良好的应用前景。     

基于微观试验的云母石英片岩蠕变损伤变量研究

 通过三轴蠕变试验,获得云母石英片岩的三轴蠕变特性。采用电子显微镜、偏光显微镜对云母石英片岩三轴蠕变的未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的径向、轴向切片进行观测,得到云母石英片岩三轴蠕变过程的微观结构变化。将微观结构变化产生的效应归结为损伤变量和空隙率的变化,应用统计损伤理论和简化力学模型,分别建立损伤变量、空隙率和宏观应力、应变的关系,推导出蠕变损伤变量。分析蠕变损伤变量在云母石英片岩蠕变全过程曲线中的变化规律,研究蠕变损伤变量与各蠕变阶段微结构变化的对应关系,从蠕变损伤的角度对蠕变破坏进行解释,并根据蠕变全过程曲线对蠕变损伤变量进行简化分解,以便于应用。     

泥岩蠕变损伤试验研究

 在岩石蠕变过程中,施加载荷超过某个应力水平后,其强度会随着时间和应力逐渐降低,这种损伤规律可以定量地用岩石基本力学参数如弹性模量E、黏聚力c和内摩擦角j 降低的多少来反映。对宝鸡市秦源煤矿泥岩进行8个不同应力水平、3个不同时间段蠕变试验,采用单试件法测得泥岩蠕变过程中各力学参数E,c,j的变化值,对试验数据进行分析,建立该泥岩E,c,j随应力水平、长期强度及时间的耦合函数关系,它们之间呈指数衰减变化。分析耦合函数中各个系数的特点,得到泥岩力学参数损伤规律的通用表达式,式中各参数物理意义明确,测试简单。其研究结果为建立岩石损伤流变本构模型奠定基础。