低温环境下红砂岩蠕变特性及其模型

为研究低温环境下岩体工程的长期稳定性,以饱水状态下的陕西红砂岩为研究对象,采用MTS810岩石力学试验机进行不同温度(20,-10,-20℃)条件下的分级加卸载单轴蠕变试验,研究了不同温度条件下红砂岩的蠕变特性及温度对岩石蠕变特性的影响。根据蠕变试验结果,将岩样总应变分为瞬时应变和蠕变应变,瞬时应变由瞬时弹性和瞬时塑性应变组成,蠕变应变由黏弹性和黏塑性应变组成。结果表明,瞬时应变随应力水平的增加而增大,瞬时弹性应变与应力呈近似线性关系;随着应力水平的增加,黏塑性应变随时间逐渐增加,总应变中黏塑性应变的比例也趋于增大。随着温度的降低,岩样瞬时应变及相同应力水平下的蠕变应变均减小,蠕变持续时间延长,岩石破坏强度提高。根据岩样的变形特性结合蠕变试验结果,引入分数阶微积分,建立考虑低温影响的非线性流变模型;采用通用全局优化算法结合最小二乘法中的Levenberg-Marquarat算法对不同温度环境中的蠕变试验结果进行参数识别,理论曲线与试验结果吻合度较高,尤其加速蠕变阶段效果较好,表明该模型能够很好地描述红砂岩在低温环境下的蠕变行为;对不同温度条件下的模型参数进行分析,结果表明,随着温度的降...     

充填体单轴压缩蠕变特性试验研究

以李楼铁矿灰砂比为1∶6的充填体为研究对象, 采用恒定荷载加载方式对充填体试样进行了单轴压缩蠕变试验, 试验结果表明充填体具有特定的蠕变特性。选用伯格斯模型研究了充填体的蠕变变形特性; 利用阻尼最小二乘法对模型参数进行拟合, 得出了相应模型的理论蠕变曲线。结果显示:模型的理论蠕变曲线与试验曲线相吻合, 可较好地模拟充填体的蠕变变形特性。     

水—岩化学腐蚀损伤作用下红砂岩蠕变特性试验研究

为探讨水—岩化学腐蚀损伤作用下红砂岩的蠕变力学行为,设计开展了不同浓度和pH值Na2SO4溶液化学腐蚀作用下的单轴压缩和分级加载蠕变试验.结果表明:红砂岩的水—岩化学腐蚀损伤情况与化学介质浓度和溶液pH值密切相关,酸碱性越强、浓度越高,试件内部的孔隙率越大,纵向超声波速度越小,红砂岩对化学溶液的敏感性具体表现为:酸性溶...     

红砂岩不同蠕变阶段声发射振幅与能量特征研究

为认识岩石蠕变过程中的声发射特征,对红砂岩进行了分级循环加卸载试验,研究了试件在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段的声发射振幅与能量特征。试验结果表明:在减速蠕变阶段,声发射振幅与能量随时间的增长而减小;而后,在等速蠕变阶段,声发射振幅与能量基本趋于稳定,并且两参数的平均值与方差小于减速蠕变阶段。在加速蠕变阶段,声发射振幅与能量发生跃迁的频率增大。在此阶段,声发射能量平均值与方差和声发射振幅方差,大于减速蠕变与等速蠕变阶段。以上声发射特征说明,相对于等速蠕变阶段,减速蠕变阶段微破裂的尺度相对较大;而在加速蠕变阶段,微破裂在更大尺度的范围内发生。试件损伤主要发生在减速蠕变与加速蠕变阶段。     

红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析

以标准红砂岩试样为研究对象,运用自行研制开发的软弱煤岩材料剪切蠕变实验装置结合自行开发的煤岩 细观力学特性测控软件,对处于不同载荷水平作用下的红砂岩试样剪切蠕变力学特性进行了系统的研究,并 基于试验结果尝试解释了一些边坡失稳发生时的现象。结果表明:载荷大小对红砂岩剪切蠕变力学特性具有 明显的影响,直接决定着加速剪切蠕变阶段的有无、试样的破坏与否和试验时间对其剪切蠕变力学特性的 影响程度;存在2个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ₁、τ₂,它们将红砂岩剪切蠕变类型分为3种, 即肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏;红砂岩试样破裂带的形成过程表现为渐进式,破坏过程表现为渐 进式与突发式结合,破裂面附近区域为裂纹结构丰富区且该面为非平直剪切面;不同载荷水平作用下岩石剪 切蠕变力学特性可以用来解释边坡失稳发育过程中的现象,认为边坡内潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变 破坏是边坡发生失稳的力学机理。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

基于短时三轴蠕变试验的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究一种更适合岩石短时三轴蠕变特性的蠕变模型,在对蠕变试验曲线三元件广义Kelvin模型参数识别基础上,基于加速蠕变试验特性对黏塑性模型中的黏性元件进行了非线性改进,并将得到的非线性黏塑性模型与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型.结果表明,该模型可以同时表征岩石瞬时加载应变、衰减蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变等蠕变特征.最后,基于BFGS非线性优化算法对该模型参数进行了识别,同时将模型拟合曲线与改进西原模型曲线进行了比较分析,验证了非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性.     

高强度红砂岩峰后分级加载蠕变及强度特征

通过RLW-2000型伺服流变仪,对一组红砂岩8个试样进行峰后分级加载蠕变试验,研究了红砂岩峰后蠕变基本特性,确定了试样峰后蠕变破坏强度与卸载峰值强度、瞬时强度的关系,分析了蠕变试验曲线与理论曲线内在机制,探讨了试样峰后蠕变破坏的基本形态。结果表明:随着应力水平提高,峰后红砂岩试样瞬时应变呈近线性增加趋势;在相同应力水平下,随着蠕变破坏强度的增加,瞬时应变呈微小增加趋势;随着应力水平提高,试样蠕变应变表现为减小-平稳-增加-急速增加的S曲线增加趋势,最后一级应力水平下,试样呈非衰减蠕变,蠕变应变加速明显;在相同应力水平下,随着蠕变破坏强度增加,蠕变应变呈轻微减小趋势;试样峰后蠕变破坏强度分别达到卸载峰值强度与瞬时强度的84.00%与79.92%,卸载峰值强度是瞬时强度的95.27%;伯格斯流变模型能较好地表征蠕变试验曲线,高蠕变应力水平下蠕变试验曲线与理论曲线相关性大于低蠕变应力水平;试样破坏形态表现为压剪破坏主控面与无规则弱化区的复合,蠕变破坏强度越小,主控面角度与弱化区范围越大,而卸载峰值越大,主控面越明显。     

红砂岩单轴压缩与短时蠕变破坏声发射试验

岩石在不同应力状态下,其声发射特征有所区别,研究对比单轴压缩和蠕变2种状态下岩石的声发射特征对预测岩石破坏具有重要意义。通过进行红砂岩单轴压缩声发射试验和分级加卸载短时蠕变破坏声发射试验,对比分析了2种状态下声发射事件率和振幅的变化规律。试验结果表明:声发射事件率在蠕变破坏和单轴压缩破坏过程中总体规律相近;在单轴压缩破坏过程中在加载早期振幅较大,之后有所减小,直至破坏前增大明显,然而在蠕变破坏过程中,振幅在进入蠕变破坏加速阶段和破坏前均有明显增大的趋势。可见,相对于声发射事件率,振幅在一定程度上可作为蠕变破坏与单轴压缩破坏的声发射判据。     

不同含水率孔周煤岩体蠕变试验及蠕变模型研究

为探究不同含水条件下孔周煤岩体蠕变特性,制作不同含水率含孔方形试样,开展分级加载蠕变破坏试验,获取蠕变加载下试样轴向应变曲线;同时基于改进西原模型,引入含水煤岩体蠕变损伤变量D_w和时效损伤变量D_t,建立不同含水率孔周煤岩体蠕变模型;对比分析试验结果和模型计算值,验证蠕变模型合理性。研究结果表明：同一加载应力水平下,所有试样进入稳定蠕变阶段的时间均在1 h左右,但干燥试样轴向应变量较小,到达加速蠕变阶段的时间也较高,表明水对煤岩体具有物理侵蚀和软化作用;所建蠕变模型参数与含水率之间呈指数关系,且模型理论曲线与试验数据曲线有较好的吻合性。     

红砂岩短时蠕变声发射b值特征

岩石的蠕变性质是引起岩石破坏的原因之一。因此,对岩石蠕变破坏进行预测具有重要的意义。通过进行分级加卸载条件下的短时蠕变试验,研究了红砂岩在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段的声发射b值特征。试验结果表明：试件在体积变形状态下,声发射b值在减速蠕变阶段与等速蠕变阶段随着蠕变时间的增大而增大;当试件处于体积不变状态与扩容状态下,声发射b值在等速蠕变阶段总体保持稳定;在加速蠕变阶段,声发射b值呈现出先减小,而后增大,最后再次减小的特征。因此,根据声发射b值在不同蠕变阶段的变化特征,在一定程度上可对红砂岩石蠕变破坏进行预测。     

岩石非线性拉、压蠕变模型及其参数识别

基于岩石单轴拉、压作用下加速蠕变曲线的幂函数拟合分析,推导了二元件黏塑性蠕变模型中黏性元件的非线性表达式,并将建立的非线性黏塑性模型与Burgers蠕变模型串联建立一个新的非线性黏弹塑性拉、压蠕变模型。分析显示该模型能够描述岩石在直接拉伸、压缩作用下的衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段。结合对重庆红砂岩单轴直接拉伸与单轴压缩蠕变试验结果,通过Matlab编写Quasi-Newton优化算法(BFGS)实现了岩石非线性黏弹塑性拉、压蠕变模型的参数辨识,辨识参数相关性系数平方R 2均在96%以上。将模型与修正西原模型比较发现非线性黏弹塑性拉、压蠕变模型线型吻合程度均高于修正西原模型,表现出拉、压蠕变特性的适用性,从而进一步验证了模型描述岩石拉伸以及压缩蠕变特性的正确性。     

含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度试验

为了研究冻结条件下西部地区裂隙岩体的力学性质,以西部中生代地层典型的红砂岩为试验对象,通过数码显微镜观察分析了红砂岩的颗粒、孔洞分布特征,并在-5~-15 ℃条件下,对无裂隙冻结红砂岩和裂隙倾角β为0°,15°,30°和45°的冻结裂隙红砂岩进行了单轴和三轴压缩试验。试验结果表明：冻结红砂岩和冻结裂隙红砂岩的强度都随围压的增加而线性增加。冻结裂隙红砂岩强度随着裂隙倾角的增加而非线性递减,在裂隙倾角大于30°后,强度降低的幅度不大。含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度和侧向变形主要受裂隙冰控制,因此工程中需要了解裂隙的角度分布特征。     

深部砂岩力学特性试验与本构模型

为深入探究岩石强度劣化特性对深部开采工程稳定性的不利影响。以红庆梁深立井工程为背景,对现场砂岩岩样开展不同围压条件下三轴压缩试验,结合Mohr-Coulomb强度理论研究了砂岩应力-应变、强度与变形等特征;基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点,推导出砂岩损伤软化本构模型,探讨了模型参数F_0和m与围压的函数关系,结合模型参数对模型的影响及砂岩应力-应变曲线变化特点,采用非线性拟合方法对模型参数进行修正,最后得到修正的损伤软化本构模型;利用FLAC~(3D)对修正后的本构模型数值求解,将理论计算结果与砂岩全应力-应变曲线对比验证;通过构建马头门硐室围岩数值模型对修正后本构模型进行工程应用,并分析了数值计算结果的合理性。结果表明:①砂岩变形参数对围压敏感度较低,强度参数受围压影响较大,不同围压条件下,当应力达到峰值后,砂岩呈现出明显的应变软化特性;②通过FLAC~(3D)数值验证结果可知,损伤软化模型理论计算应力-应变曲线与试验曲线高度吻合,说明模型具有较高的真实性,能反映砂岩在复杂应力状态下的破坏全过程;③利用数值模拟方法对深部马头门硐室围岩与支护结构破坏规律分析表明,在拱顶及拱肩位置较易出现塑性剪切破坏,并且与实际工程中支护结构破坏位置及范围基本相同。     

西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15 ℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。〖JP2〗研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。     

砂岩Holmquist-Johnson-Cook模型参数确定

HJC模型在混凝土动态破坏数值模拟中应用广泛,但由于模型中包含参数较多,确定参数需要大量实验,目前缺乏准确可信的岩石材料HJC模型参数。为合理确定砂岩HJC模型参数,对取自四川威远的粉砂岩进行相关静力学实验,获得岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度以及抗拉强度等参数。应用三轴压缩实验和单轴SHPB冲击实验,分别得到了该砂岩极限面参数、率效应参数、压力参数和损伤模型参数的取值。基于上述模型参数利用有限元程序LS-DYNA对粉砂岩SHPB冲击实验进行数值模拟,结果表明,实验和模拟的应力-应变曲线形态吻合较好,模拟得到的动态峰值强度和峰值应变与实验结果的平均误差均未超过10%,验证了该HJC模型参数实验测定方法的合理性和有效性。     

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。     

Experimental study on the expansive deformation of red sandstone of Hongshanyao

An experience formula of expansive strain and stone taken from a foundation pit of Hongshanyao Project (HSYP) in Nanjing was described. It is clear that the curve of expansive strain-water content is a logarithm. In the meantime, the relation of expansive strain with time was studied and the importance of expansive stabilization time was illuminated. The experiment results indicated that the water content has a tremendous effect on peak expansive and steady expansive deformation of swelling red sandstone.     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。