考虑频率影响的盐岩变参数蠕变损伤模型

基于低频三轴循环加卸载试验得到盐岩轴向初始衰减和稳态蠕变变形规律,以及卸载模量随着循环周次的增加呈现负指数型弱化趋势。以弹性模量的折减表征循环荷载下盐岩损伤劣化,考虑损伤因子的频率和时间效应,得到统一损伤演化方程,建立考虑频率影响的变参数Burgers蠕变损伤模型。对比分析表明,该模型能够准确描述不同频率循环荷载作用下盐岩蠕变变形特征和损伤演化过程,为盐岩地下储气库注采运营稳定性分析提供更为合理的分析模型和力学参数。     

基于Burgers模型的岩盐蠕变参数试验研究

针对岩盐矿地下开采结构参数的时间依赖性,开展岩盐蠕变试验。通过岩盐单轴压缩试验获得其瞬时抗压力学特性,据此设置合理的蠕变压力级别;采用单体多级加载方式进行单轴压缩蠕变试验,获得2组不同埋深岩盐蠕变变形-时间曲线,选取4元件Burgers模型对试验曲线进行拟合分析,得到试验岩盐蠕变特性表征参数。研究结果表明：岩盐单轴压缩强度具有显著的时间弱化性,长期强度小于瞬时强度的70%;Burgers模型能够合理的描述试验岩盐的蠕变变形特征,拟合的蠕变参数能够为地下盐矿采场结构参数的设计提供借鉴。     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

联合广义Hoek-Brown屈服准则的盐岩黏弹塑性损伤模型及工程应用

通过4种屈服准则对盐岩适用性的对比分析,表明广义Hoek-Brown准则能够准确预测盐岩从拉伸到压缩应力区的强度值,结合不同应力状态下的塑性流动法则建立完整的盐岩弹塑性模型。进一步考虑盐岩的黏性损伤,基于Lemaitre等效应变原理,引入损伤蠕变分量建立了一种能够反映盐岩初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变全过程的黏弹塑性损伤模型,并进行试验验证。利用FLAC 3D 的二次开发接口,实现了新模型的软件嵌入。对金坛盐岩储气库工程进行卸压模拟,分析储库围岩损伤和破坏演化规律,得到了储库初步最小运营内压为7 MPa。研究表明,新模型能够较好地匹配盐岩试验数据,描述盐岩黏弹塑性损伤行为,且数值稳定性良好。     

A general constitutive equation for transient and stationary creep of rock salt

A constitutive equation, which besides creep describes volumetric dilatancy and/or compressibility, is subjected to some restrictions if we would like it to describe both stationary and transient creep. These general formulations are discussed here. A procedure to determine a viscoplastic potential for stationary creep from experimental data is presented. An example is given for rock salt, but the procedure is quite general and can be used for any creeping geomaterial, possessing the property of being either dilatant or compressible. Comparison of the model prediction with the data is presented. Long-term failure, or creep-failure, is also considered. Typical mining examples of creep, wall convergence for both short-term failure and long-term failure are given for vertical shafts or boreholes. Other examples will be given elsewhere.     

不同瓦斯压力下煤岩三轴加载时蠕变规律及模型

岩石蠕变模型众多,其适用性及优缺点亟待总结,而且低瓦斯压力与煤岩蠕变间的关系尚不确定,为此,进行了低瓦斯压力下分级加载轴压时型煤蠕变实验。结果发现,随着瓦斯压力增大,型煤轴向应变增大,说明煤岩蠕变与瓦斯压力呈正相关。利用实验数据检验常见蠕变模型时发现经验函数(幂函数、指数函数、多项式等)均存在缺陷,只能拟合衰减蠕变或非衰减蠕变中的一种;Burgers模型及其改进模型均存在不足,西原模型不适用于非衰减蠕变,西原加速模型适用于砂岩,用于拟合煤岩非衰减蠕变时存在滞后性。经过优化后得到改进的西原加速模型,经证明其可靠性强。另外,提出了蠕变拐点的观点,岩石发生非衰减蠕变是蠕变曲线上至少存在1个蠕变拐点的充要条件。这不仅完善了蠕变的数学理论,而且能为预防岩石失稳破坏等工程实践提供借鉴。     

富水软岩的蠕变特性实验及非线性剪切蠕变模型研究

富水软岩巷道变形速度快,变形量大,巷道支护困难,建立描述该类软岩特性的流变模型是解决该问题的关键。通过不同含水率软岩的直剪蠕变试验表明:在同一剪应力水平下,随着含水率的上升,软岩瞬时弹性模量、极限变形模量和黏滞系数将下降,蠕变速率先增大后减小,加速蠕变的破坏时间缩短;在同一含水率条件下,随着剪切应力的增加,软岩瞬时剪切位移量、蠕变变形量和衰减蠕变段的曲率半径都逐渐增大。依据含水软岩蠕变的非线性特征,建立了能够描述含水软岩蠕变特性的非线性剪切流变模型,基于BFGS算法和通用全局优化法对模型参数进行识别,识别结果与试验曲线吻合较好,表明所建模型的正确性和合理性,该成果可为深部复杂地质力学环境下的富水软岩巷道稳定性研究提供参考。     

含夹层盐岩蠕变特性试验及其本构关系

为了解某拟建盐穴储库围岩含夹层盐岩的蠕变特性,对该库址含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行了不同围压下三轴压缩蠕变试验,分析了其蠕变变形规律。实验结果表明：含夹层盐岩初始蠕变阶段的持续时间大于泥岩试件而与盐岩试件基本相同,即第1蠕变阶段的持续时间主要由层状盐岩试件中盐岩体部分决定;第2蠕变阶段的稳定蠕变速率则随着泥质夹层含量的不同呈现较大的差异,在相同应力条件下,含泥质夹层盐岩试件的蠕变速率小于盐岩而大于泥岩。根据3种岩样第2蠕变阶段的蠕变特性,基于含泥质夹层盐岩试件中泥质夹层的体积分数,推导了含夹层盐岩蠕变力学参数与纯盐岩及纯泥岩蠕变参数的关系。     

基于扰动因子的软岩扰动蠕变本构模型

动力扰动下处于极限强度的深井软岩巷道围岩具有流变变形量大,变形速率快的变形特征,致使软岩巷道支护困难和灾害频发。为了研究软岩在动力扰动下蠕变破坏特征及本构模型,通过自主研制的岩石扰动蠕变实验系统对泥页岩进行了分级加载流变实验,试验结果表明:非稳定蠕变曲线在扰动前后流变变形明显不同,当施加应力水平较小时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),每次扰动的瞬间会使岩石应变突变,但突变值随后逐渐回弹,最终岩石变形速率趋于一个稳定值;当应力水平较大时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),岩石经过多次扰动后,当积累能量达到岩石破坏能量时,诱使岩石发生加速流变,而原处于蠕变第Ⅲ阶段的岩石的蠕变速率加快,缩短了岩石破坏的时间。基于岩石扰动状态理论,提出一个以扰动能量和扰动次数为自变量的扰动因子函数,以它为权重函数与NRC模型有机结合,建立了软岩流变扰动效应的本构模型并对模型参数进行识别,结果表明理论曲线与实验曲线吻合较好,验证了该模型能够正确性地描述动力扰动下软岩蠕变特征,该成果对于深部地下工程的稳定性研究具有参考价值。     

软岩试件非线性蠕变特征及参数反演

根据深部软岩室内三轴剪切和单试件分级加载蠕变试验结果,采用岩石蠕变力学元件模型和经验本构相结合的方法,获得描述岩石非线性蠕变本构模型。利用现场实测数据对软岩巷道开挖过程进行了参数反演,获得了和试验相一致的软岩本构力学模型参数,反演结果验证了该模型的可行性。     

基于位移增量的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析

深部高地应力下硐室围岩蠕变力学参数不准已成为制约岩体工程理论分析和数值计算发展的"瓶颈"问题,因而确定可靠的岩体蠕变参数服务于工程实际成为重点关注的课题,为此提出基于位移增量敏感性分析的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析方法。该方法基于描述深部高地应力条件下围岩蠕变随时间破坏特征的分数阶微积分的蠕变本构模型,取较为典型的主硐室顶拱位移、拱肩位移和边墙位移作为表征围岩的特性指标,从参数敏感性分析着手,确定模型中对位移较为敏感的5个蠕变参数(瞬时剪切模量、黏性系数、黏弹性剪切模量、黏弹性系数、分数阶系数β),并遵循"大值原则"和"敏感性原则"提取位移增量数据,输入主厂房和主变室等不同位置的现场位移增量监测信息建立多数据融合的适应度函数,采用均匀设计方法构造各参数不同水平组合的学习样本和训练样本,通过遗传算法与神经网络相结合的智能优化算法在解的全局空间进行搜索,确定反演蠕变参数值,最终通过灰色关联度和后验差法联合校核位移增量实测值与计算值。实例分析结果不仅表明智能优化算法获得的硐室围岩蠕变参数可靠性高,也验证了该法的有效性和合理性,同时为深部高地应力大型硐室长期稳定性评价时参数确定提供一个新手段。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

大浞河铁矿软岩巷道围岩蠕变的黏弹性参数反演

大浞河铁矿1采区-140 m水平采场进路开挖后,部分巷道围岩随时间推移持续向内收缩,显现出蠕变特性,对正常的生产经营造成了一定安全隐患。为探明巷道围岩变形机理,在一采区中段采场进路巷道进行原位试验,利用圆形巷道测试数据曲线的特点,选取合适的蠕变模型。根据黏弹性蠕变位移公式,借助Origin分析推导出模型所需要的参数。通过增减FLAC3D内置模型的参数项,修改内置蠕变模型的流变特性,使之符合巷道蠕变试验实测曲线的变化规律。利用圆形巷道实测曲线反演的蠕变参数对巷道围岩的顶板、底板、帮的蠕变变形进行模拟,并对三者的位移进行比较分析。分析结果表明：三者的位移曲线曲率相近,取得的数据具有一定价值,采用此种方法进行反推黏性参数,对圆形巷道的围岩蠕变分析具有一定的推广价值。     

The three processes of brittle crystalline rock creep

Three elementary processes (elastic, plastic and dilatant deformations) in brittle rock under sustained load are considered. Though these occur independently and in parallel with each other, their contributions to the creep strain of brittle rock are not equal and vary with the stages of creep. The elastic creep governs the primary stage; whereas, visco-plastic flow dominates at the secondary stage; and the third stage; i.e. the accelarating creep, is associated with the dilatant strain caused by the process of microfracturing.Besides these, the instantaneous strain at the moment of loading plays a significant role too. The strain is a function of the magnitude of the load. When the latter approaches the failure level, the instantaneous strain is a sum of the elastic deformation and instantaneous plastic deformation as well. A rheological model of such a strain is described in the paper.The primary creep duration is estimated to be three times the relaxation time of the Kelvin substances modelling elastic creep. An analysis of experimental creep curves indicates that the relaxation time for the same rock is not constant and depends upon the magnitude of the sustained load, increasing with it, via a power function.The boundary time between the secondary and tertiary creep is found from the intensity of the process of brittle rock microfracturing. A rheological model as a massive dash-pot is proposed for visualizing the accelerating creep. A method of decomposing experimental creep curves is developed to facilitate the estimation of the essential parameters of creep of the rock under testing. This allows one to design a creep curve for the same rock at an arbitrary magnitude of sustained load up to the moment of failure.     

基于分数阶微积分理论的泥岩蠕变损伤本构模型

泥岩在吸水膨胀时,其各力学参数均会发生明显变化。建立泥岩分数阶损伤蠕变模型结构图,引入描述岩石损伤程度的损伤变量,当应力水平超过岩石的长期强度时,在泥岩加速应变率加载情况下,建立基于分数阶微积分理论的非线性蠕变损伤模型,基于蠕变模型建立加速应变率加载情况下的泥岩蠕变本构模型。通过本构模型得到,在加速蠕变阶段,应变与时间呈指数函数关系。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明,分数阶β为岩体固有参数并且能够反映岩体硬度,在加速蠕变阶段,分数阶损伤蠕变本构模型能够较好地描述泥岩蠕变的应力—应变关系。     

Development of Hereditary Model for Deformation and Failure of Salt Rocks

A model is proposed for hereditary elasticity and viscoplasticity of salt rocks. The features of rock sample deformation to be connected with loosening and original damaged state are considered in construction of nuclei of shear and volume creep.     

基于塑性扩张的岩石变参数蠕变损伤模型与工程应用

为研究岩石蠕变损伤过程与围岩塑性区扩展之间的内在联系,建立基于塑性扩张的变参数蠕变损伤模型(BNMC模型),该模型认为岩石塑性屈服面随蠕变时间动态变化,在σ-τ空间内,强度包络线随蠕变时间的增加而逐渐内移。采用线性插值法对该模型各蠕变参数进行处理,获得任意连续偏应力水平对应的蠕变模型参数,从而实现BNMC模型的数值化。采用该模型对金川二矿区-1 098 m水平中段下盘运输巷的蠕变变形进行数值模拟,对比研究未支护裸巷和喷锚支护巷道的蠕变变形规律。研究发现,未支护裸巷围岩塑性区边界不是一成不变的,而是随时间的发展,塑性区边界逐渐向外扩张,围岩承载力逐渐下降,从而导致围岩加速蠕变显现,巷道蠕变失稳;通过对喷锚支护巷道的蠕变数值模拟结果和多点位移计实测结果的对比,发现数值模拟曲线与实测曲线在走势上基本吻合,但在量值上实测蠕变位移值要略大于数值模拟结果;由于支护与围岩的相互作用,支护在一定程度上改变了围岩的偏应力状态和位移,阻止了围岩塑性区边界扩张,喷锚支护巷道在0~200 d的蠕变计算时段内,未呈现出加速蠕变性态。     

含水率对岩石蠕变规律影响的试验研究

通过对不同含水状态页岩岩样三轴蠕变实验结果和与实验结果相符合的蠕变模型参数进行分析,得出了含水状态对岩石蠕变影响的规律,并对影响岩石蠕变的因素进行了探讨,结果表明,含水率和应力差是影响岩石蠕变的重要因素.     

一种基于能量耗散理论的岩石加速蠕变模型

岩石加速蠕变阶段的启动条件是分析蠕变全过程的难点问题,现有的西原体模型在描述岩石黏塑性阶段的加速蠕变特性时也存在明显的不足。为了更好地描述岩石蠕变的全过程、划分蠕变的不同阶段和表征加速蠕变阶段的变形特性,基于能量耗散理论定义了加速蠕变启动的控制阈值,将Perzyna黏塑性模型引入西原体模型,由此构建了一种新型的岩石加速蠕变本构模型,并且通过三轴逐级加载蠕变实验数据对模型进行了验证。结果表明:蠕变加载过程中的能耗和蠕变损伤主要来源于岩土类材料内部的内能变化,基于能量耗散理论和考虑蠕变速率变化构建的岩石加速蠕变模型能更好地描述岩石黏弹塑性蠕变特性,不仅反映了岩石能量耗散与蠕变变化之间的关系,也进一步突出了岩石的蠕变速率和蠕变应力状态对加速蠕变的影响;同时,该模型克服了传统的西原模型难以描述加速蠕变变形特征的缺点,更加准确地反映了岩石的衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性;最后,对比分析结果验证了采用耗散率值来定义由稳定蠕变阶段转化为加速蠕变阶段的控制阈值是可行的,引入Perzyna黏塑性模型对改善西原体模型描述岩石加速蠕变阶段的变形特征是有效的,研究结果为分析蠕变变形全过程和划分蠕变变形阶段提供了一个新方法,为研究蠕变模型和蠕变力学特性提供了一个新思路。     

动静载荷作用下片麻岩蠕变实验及非线性扰动蠕变模型

深部巷道围岩应力状态处于岩石强度极限邻域内,围岩会产生较大的蠕变变形,特别是深部扰动荷载对巷道围岩蠕变变形的影响更为敏感。为了研究深部岩石在扰动载荷作用下的岩石非线性蠕变特性和蠕变扰动效应,利用自行研制的岩石三轴扰动蠕变试验台,以片麻岩为岩石试样,采用分级加载方式,开展静载轴压、不同扰动幅值、不同扰动频率作用下的岩石单轴压缩扰动蠕变试验,得到扰动载荷对岩石蠕变特性的影响。试验结果表明:轴压是岩石蠕变变形的主导因素,随着轴压的增加,岩石蠕变变形量逐渐增大;岩石蠕变变形量随着扰动幅值和扰动频率的增加而增大,在相同轴压和作用时间的情况下,扰动幅值对岩石蠕变变形比扰动频率明显;在相同的扰动条件下,随着轴压的增大,岩石蠕变破坏受扰动作用影响越大,当轴压大于40 MPa时,岩石蠕变受扰动影响敏感度越高;每次扰动加载后,岩石蠕变应变量出现台阶式突增,同时蠕变曲线也出现陡突现象,随着扰动幅值和扰动频率的增大,突变值越大。以试验结果分析为依据,引入非线性黏塑性扰动蠕变元件和损伤原件,并与Burgers串联,建立了岩石非线性扰动蠕变损伤复合模型。采用基于模式搜索的改进的非线性最小二乘法反演蠕变参数,并将蠕变方程计算结果与实验结果进行拟合,效果良好。