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.     

岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)及其应用

通过将作者提出的非线性黏塑性体与五元件线性黏弹性模犁串联，建立一个新的岩石非线性黏弹塑性流变模犁（河海模型），该流变模型可以充分反映岩石的加速流变特性。推导了岩石在恒应力与恒应变情况下的流变方程，从理论上对岩石非线性蠕变和松弛特性进行分析，同时利用在岩石流变倒服仪上扶得的蠕变全程试验曲线，对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行充分验证，试验曲线与非线性流变模型的比较，显示了所建流变模型的正确性与合理性。基于提出的岩石非线性黏弹塑性流变模犁，推导该非线性流变模型在三维条件下的中心差分格式，采用FLAC^3D所提供的二次开发程序接口，研制岩石非线性流变数值程序，同时通过一个单轴压缩算例，进一步验证提出的非线性流变模型的正确性与合理性。采用研制的非线性流变数值程序，对锦屏一级水电站坝基岩石工程进行三维流变数值模拟，分析结果为锦屏一级水电站坝基岩石工程的长期稳定与安全性提供了合理建议与评价。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

岩石黏弹塑性损伤蠕变模型研究

岩石蠕变力学采用在经典元件模型基础上引入非线性元件和蠕变损伤的方法,来解决经典元件模型不能描述岩石整个蠕变过程中的非线性特征问题。首先分析这类方法在模型参数辨识、损伤蠕变方程建立和屈服条件选择等方面的不严谨之处,然后根据非线性流变理论以及损伤理论采用和构建弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏塑性体,并将四者串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、黏性应变和非线性黏塑性应变的损伤蠕变模型。推导岩石在恒应力情况下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到损伤蠕变方程,结合蠕变曲线特征给出简单可行的模型参数辨识方法。最后采用砂岩分级加载单、三轴压缩蠕变试验曲线与理论曲线和预测曲线进行对比来验证模型的适用性。结果表明两者吻合程度较高,黏弹塑性损伤蠕变模型不仅可以精确反映衰减、等速阶段蠕变曲线的非线性特征,而且能够描述岩石在高应力状态下的加速蠕变特征,其适用性得到验证。     

砂岩的蠕变与弹性后效特性试验研究

采用岩石全自动伺服三轴流变试验设备对三峡库区典型砂岩试样开展分级加、卸荷的蠕变与弹性后效试验,得到岩样在不同应力水平条件下时效变形曲线。试验结果表明:岩样的时效变形特征明显,随着应力水平的逐渐增大,试样的蠕变、弹性后效、不可逆变形的量值及其平均速率均呈现出逐步增大的变化趋势;其中蠕变与不可逆变形量的变化规律性具有较好的一致性,弹性后效恢复的变形平均速率的变化幅度越来越小,逐渐趋向于某一定值;岩样在加载至最后一级应力水平下出现了非线性加速蠕变现象,试验全过程曲线反映了蠕变变形典型的三阶段特征。推导了三维应力状态下的Burgers模型的蠕变与弹性后效本构方程,基于流变试验得到的数据利用优化搜索后的算法对相应参数进行辨识,分别得到岩样在蠕变与弹性后效阶段的相应三维参数;对时效参数分析得出,黏性参数mη随应力水平的增加而呈非线性劣化的规律,表现出较为明显的非定常性规律特征;当试样处于蠕变阶段时,黏性参数反映的是岩石稳态蠕变变形特征,而在试样处于弹性后效阶段时,黏性参数则是描述岩样卸除荷载后不可逆变形的变化规律。     

砂岩的蠕变与弹性后效特性试验研究EI北大核心CSCD

采用岩石全自动伺服三轴流变试验设备对三峡库区典型砂岩试样开展分级加、卸荷的蠕变与弹性后效试验,得到岩样在不同应力水平条件下时效变形曲线。试验结果表明:岩样的时效变形特征明显,随着应力水平的逐渐增大,试样的蠕变、弹性后效、不可逆变形的量值及其平均速率均呈现出逐步增大的变化趋势;其中蠕变与不可逆变形量的变化规律性具有较好的一致性,弹性后效恢复的变形平均速率的变化幅度越来越小,逐渐趋向于某一定值;岩样在加载至最后一级应力水平下出现了非线性加速蠕变现象,试验全过程曲线反映了蠕变变形典型的三阶段特征。推导了三维应力状态下的Burgers模型的蠕变与弹性后效本构方程,基于流变试验得到的数据利用优化搜索后的算法对相应参数进行辨识,分别得到岩样在蠕变与弹性后效阶段的相应三维参数;对时效参数分析得出,黏性参数mη随应力水平的增加而呈非线性劣化的规律,表现出较为明显的非定常性规律特征;当试样处于蠕变阶段时,黏性参数反映的是岩石稳态蠕变变形特征,而在试样处于弹性后效阶段时,黏性参数则是描述岩样卸除荷载后不可逆变形的变化规律。     

非定常西原黏弹塑性流变模型的应用研究

 在西原模型的基础上,引入非线性Bingham黏塑性元件与Kelvin元件,建立能完整反映蠕变全过程的非定常西原黏弹塑性流变模型。当岩石处于高应力状态时,其黏塑性流变参数随时间呈非线性变化。根据ABAQUS的UMAT格式要求以及非定常西原黏弹塑性流变模型的平面应变(应力)有限元理论,编制相应的黏弹塑性流变模型程序。数值试验结果表明,所建立的非线性黏弹塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下岩石的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石边坡进行流变数值分析,在较大堆载下,边坡顶点进入加速蠕变阶段,达到破坏状态;中点和底点处于低应力状态,为黏弹性阶段,位移趋于稳定。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。     

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识.以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究.先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法.然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分.并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法.最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例.     

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。     

红砂岩粗粒土流变工程特性试验研究

在自行设计的粗粒土单轴流变试验仪上,进行红砂岩粗粒土流变试验,分析红砂岩粗粒土的流变特性。流变试验结果表明,在比较低的应力状态（轴向应力σ≤0.8MPa）下,红砂岩粗粒土表现出线性黏弹性;在较高的应力状态（轴向应力σ〉0.8MPa）下,红砂岩粗粒土表现出非线性黏弹塑性。为描述红砂岩粗粒土的非线性黏塑性变形特征,提出一个新的双曲线型黏塑性体,将双曲线型黏塑性体与Burgers流变模型串联,建立一个新的红砂岩粗粒土非线性黏弹塑性6元件流变本构模型,该流变本构模型能很好描述红砂岩粗粒土的非线性流变特征。同时,通过红砂岩粗粒土流变试验曲线,采用改进的最小二乘拟合方法确定该流变本构模型参数;流变试验曲线和该流变本构模型的理论曲线进行对比,对比结果验证了该模型合理。     

某地区花岗石三轴蠕变试验及其损伤分岔特性研究

 以某地区花岗岩为例，在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行三轴压缩蠕变试验研究，试验结果表明：岩石变形从稳态蠕变进入加速蠕变阶段存在一个应力阈值，当应力低于该阈值时，岩石内部的原始裂隙和孔隙在低应力水平下挤压密实，产生微细观的线黏弹性变形，蠕变变形以平缓的速率增长并最终趋于稳定，此时岩石的流变参数保持恒定；当应力超过该阈值时，在较高应力水平的持续作用下，岩石内部有大量细观分布裂纹产生并且迅速发展，损伤急剧演化累积，导致岩石流变参数发生突变。采用FLAC3D对花岗岩三轴蠕变试验进行三维数值模拟，得到岩石蠕变进入加速阶段的应力阈值。最后结合固体力学的分岔理论，从流变参数的角度考虑，对广义开尔文模型引入损伤变量，建立能够反映岩石加速蠕变阶段的损伤演化方程，对岩石进入加速蠕变阶段后由于参数突变引发的分岔力学特性进行分析，确定引起岩石发生分岔行为的流变参数以及岩石蠕变变形的分岔点。计算结果表明，基于考虑损伤影响的有效初始弹性模量得到的计算曲线与试验曲线的吻合情况较为理想。     

岩石SHPB测试中试样恒应变率变形的加载条件

 从分析霍布金逊压杆测试中试样变形应力、入射应力、反射应力和透射应力的相互关系入手,获得满足试样恒应变率变形所需的加载条件,即只有当加载应力和试样的变形应力具有相同的变化规律时,试样变形才处于恒应变率状态。试验结果表明,整形器法和异形冲头法都能在一定程度上实现试样的恒应变率测试,双试样法实际是整形器法的一个特例。整形器法更适合于理想弹脆性岩类的测试,异形冲头法对具有幂函数型本构曲线岩类和未知本构特征材料的测试有利,并且可重复性好。能产生半正弦波的异形冲头法可减小波形弥散对测试结果的影响。     

混凝土疲劳剩余寿命预测的变形演变决定法

试验验证和揭示了混凝土疲劳损伤(变形)发展三阶段规律的普遍性和级间相似性;考虑疲劳损伤累积效应的影响,确立了有损试件第二级等幅疲劳第二阶段的变形演变规律;由此提出了准确预测有损试件第二级等幅疲劳剩余寿命的变形演变决定法;最后将该法及其相应的经验公式推广适用于混凝土多级等幅疲劳加载。     

煤破坏过程中的温度演化特征实验研究

 以红外热像仪和数字散斑相关方法作为试验观测手段,对一种煤试件进行实验研究,观测和分析煤试件从变形到破坏过程中的变形演化、温度演化及二者的对应变化关系。研究结果表明：(1) 煤试件变形场演化主要体现为初期的均匀变形演化到加载峰值前的变形集中带形成,加载峰后阶段主要为变形集中带的加速滑动;(2) 煤试件温度场演化在加载峰前由于受压应力作用,内部质点间距发生改变的热力耦合效应引起温度上升,在加载峰后阶段由于变形集中带内煤体受拉剪作用及变形集中带的滑动,引起温度降低;(3) 煤试件在变形破坏过程中存在明显的温度场变化,且变形集中带内、外温度演化特征相似,加载峰前阶段温度增加,加载峰后阶段温度降低,但变形集中带内温度总体高于带外温度。     

岩石试样的加载卸载过程及杨氏模量

利用伺服试验机对岩样进行常规三轴的加载、卸载试验 ,研究岩样变形特性与应力状态的关系。岩石内部存在裂隙 ,加载过程中裂隙会闭合、滑移 ,逐步产生摩擦力 ,其最大值受到轴向应力和围压的显著影响 ,但具体数值、是否达到最大摩擦力由局部应力状态决定。卸载时摩擦力的作用方向会发生改变 ,并抑制裂隙面之间滑移变形的恢复 ,使岩样内部产生残余变形。围压对杨氏模量的影响与岩石内部的损伤状态有关 ,但岩石的损伤特征不能从岩样轴向压缩的加载或卸载杨氏模量直接反映。     

数字图像灰度相关性用以描述岩石试件损伤演化的研究

岩石试件表面的数字图像可作为试件表面变形或裂纹扩展的信息载体。为从加载过程中记录的数字图像中分析出定最的信息，提出一种新的分析方法：计算两幅图像灰度的相关性，用灰度相关性的分布表征变形和破裂的发展。介绍了图像灰度相同关性的计算方法，并用模拟的变形和破裂图像验证了灰度相关性在表征变形与破裂上的有效性，最后用此方法对一个岩石结构加载过程中的图像序列进行分析。结果表明，图像灰度相关性分布的演化与结构的变形局部化演化在空间和时间上都存在对应关系。因此，试件表面数字图像灰度相关性可作为描述岩石材料损伤演化的一种工具。     

岩石破坏过程中试件表面应变场演化特征研究

 分析了2种岩石试件(一种大理岩方柱试件和一种含圆孔大理岩平板试件)在单轴压缩下试件表面的应变场演化过程,得到了最大剪应变场的特征统计量(方差S)随加载的演化规律：S值在试件的均匀变形阶段较小且变化缓慢,在试件的非均匀变形段急剧上升。根据S值的变化趋势,将2个试件的变形破坏过程划分为5个不同的阶段,并给出了5个阶段的代表应变场,总结了各阶段的变形特征。应变局部化是其中一个重要阶段,是联系岩石均匀变形和非均匀变形的“桥梁”。实验结果表明,2个试件的应变局部化开始于加载曲线峰值前非常接近峰值的时刻(方柱试件为99.2%峰值应力处,含圆孔平板试件为92.2%最大载荷处),结束于峰值点。峰值后岩石试件的变形主要表现为弱化带和宏观裂纹的活动。     

岩梁弯曲流变特性的试验研究

岩石较少有直接拉伸破坏,在巷道和采场顶板中,弯曲变形是重要的变形模式。采用一次加载和分级加载两种加载方式对岩梁的弯曲流变破坏进行了试验研究,对岩梁的弯曲流变特性进行了分析,重点分析了流变条件下岩梁弯曲中性面位置的变化规律。结果表明:岩梁的顶底两侧均存在流变,虽然其大致规律相似,但存在明显的差异。岩梁底面为高应力区的拉伸流变,顶面为低应力区的压密阶段的流变。岩梁的弯曲中性面位置在流变过程中随时间而变化,并最终趋于稳定,但在不同的加载方式中性面的稳定位置差别较大。对弯曲流变与单轴压缩流变进行的比较表明,岩石单轴压缩流变的横向极限拉应变和弯曲拉伸流变的极限拉应变基本一致。     

不同轴压比大尺寸钢筋混凝土柱抗震性能研究

对4个截面边长为700 mm×700 mm的高轴压比钢筋混凝土柱进行了水平荷载作用下的单调和反复加载试验,讨论了其承载力、破坏形态和滞回特性,分析了轴压比和反复加载对试件的承载力、变形及耗能的影响。结果表明:随着轴压比的增加,试件的骨架曲线的下降段略陡,延性和极限变形较小,而承载力和耗能增加;相对于单调加载,反复加载的试件强度退化较快,极限位移较小。     

加载路径对重塑黄土一维蠕变特性的影响

黄土因具有蠕变特性,在荷载v??不变的情况下,蠕变时间t的增长也能引起土体孔隙比的减小,假设蠕变时间的增长也为一种加载,为探求重塑黄土变形量的v??-t加载次序相关性,进行了4种加载路径的试验,试验结果表明:重塑黄土变形量的v??-t加载次序相关性显著,虽然各试样的最终荷载相同,加载过程中的蠕变时间也相同,但是,在一级加载过程中,先蠕变的试样比先施加荷载的试样变形量小,在分级加载过程中,按照"荷载—蠕变—荷载"施加次序的试样比"荷载—荷载—蠕变"施加次序的试样变形量小,此结论可为工期较长的高填方工程的施工计划安排提供一定参考。姚仰平等提出的一维蠕变公式能较好反映重塑黄土变形量的蠕变时间和荷载的加载次序相关性,公式所需5个参数均能简单获得。