巷道围岩蠕变特性及非定常蠕变模型研究

为研究巷道围岩在不同围压特性条件下的蠕变特性,采用MTS812.02试验系统对取自阜新恒大煤矿的砂岩进行三轴蠕变试验。以西原模型为基础,通过引入影响损伤程度系数对蠕变模型的参数非定常化,分别对弹性蠕变、黏弹性蠕变和黏塑性蠕变进行积分求解,运用流变模型串联理论得到改进后的西原蠕变模型,将模型代入到Origin拟和软件中,采用最小二乘法对蠕变模型的参数进行识别,对试验数据和模型曲线进行对比,验证建立蠕变模型的正确性。结果表明:围压的增大,提升了岩石的蠕变承载能力,使加速蠕变启动时间延后,并且延长了岩石的破坏持续时间;当轴向荷载较小时,只有衰减蠕变阶段存在,蠕变迅速趋于稳定;当轴向荷载较大时,蠕变曲线经过先上凸后转变为直线,衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段都比较明显;当轴向荷载加大到破坏荷载时,蠕变的3个阶段都出现;围压为10 MPa和15 MPa时,岩石的轴向等时应力-应变曲线在应力水平分别在为60 MPa和80MPa时开始出现明显的发散,说明了蠕变由线性转变为非线性;建立的非定常蠕变本构模型不仅可以很好地对砂岩的蠕变三阶段进行描述,而且也弥补了西原体难以描述加速蠕变特性的缺点;试验数据和模型曲线具有较好的拟合度,说明了通过对西原体参数的非定常化改进是正确的、合理的。     

考虑强度参数弱化非线性损伤本构模型研究

为了研究不同孔隙水压作用下砂岩蠕变特性和岩石强度参数的劣化规律,通过MTS815. 02试验机开展不同孔隙水压条件下的砂岩蠕变试验,根据Lemaitre应变等效基本假定推导出关于强度参数劣化的损伤变量公式,并结合基本西原体模型建立了砂岩加速蠕变阶段的非线性损伤本构模型,得出以下结论:在孔隙水压作用下,岩石的应变响应更加灵敏;随着水压的增大岩石蠕变加速阶段的蠕变速率显著增大,说明水压对岩石强度参数具有削弱作用;同时当砂岩处于高应力状态下,即应力超过长期强度时岩石的强度力学参数存在明显的弱化,不再是一个定值且随着时间和过应力差变化而变化,并且受孔隙水压的影响;最终结合非线性蠕变损伤模型曲线与三轴蠕变试验曲线的良好吻合性,验证了所建立损伤本构模型的正确性与合理性,对采空区覆岩稳定性评价尤其是富水地层条件的沉陷区土地重复利用、安全评价具有指导意义。     

基于西原模型的非线性损伤蠕变模型

针对传统的西原模型不能较好地反映岩石蠕变非稳定阶段,且多数学者对西原模型的修正是通过屈服强度阈值来界定非稳定阶段,而通过时间阈值考虑非稳定蠕变阶段界定的研究相对较少。在西原模型的基础上,引入Kachanov损伤理论及时间损伤阈值,建立了一种同时描述3个阶段的非线性损伤蠕变方程式。通过灰岩蠕变试验得到试验数据,对新的非线性损伤蠕变模型的参数进行反演,并进行曲线拟合,分析岩石的蠕变损伤过程和对应阶段的稳定性,证明了该模型的正确性和合理性,为岩石流变失稳现象提供理论依据。     

基于卸荷量影响下巷道围岩变参数模型研究

为了研究在不同卸荷量影响下,岩石的应力应变关系和蠕变模型参数的变化规律,采用MTS815.02试验机对砂岩进行室内分级非等卸荷量蠕变试验研究,并通过建立考虑卸荷量的变参数本构模型,与试验数据进行对比验证。试验结果表明:在同一试验条件下,随着每一级卸荷量的增大,其瞬时应变量和卸荷量等差比也越大,岩石更快进入加速蠕变阶段且蠕变时间变短,最终岩石破坏变形量越大、破坏更彻底;基于试验结果对各卸荷量各时刻下蠕变参数进行拟合分析,可以较好地反映岩石内部损伤演化规律和结构劣化,并较好地描述原有西原体难以描述的阶段,说明了所建立考虑卸荷量影响下砂岩变参数蠕变模型是合适可行的,同时,对巷道围岩支护理论以及卸荷过程中岩石失稳破坏形式分析具有指导作用。     

砂岩的三维非线性损伤蠕变特性

岩石的蠕变性质对预测巷道围岩失稳、保障矿山生产安全等具有重要影响,岩石蠕变本构模型的建立是研究岩石蠕变变形特性的重要依据。针对传统蠕变模型难以反映岩石的加速蠕变阶段特征的问题,提出了一种改进的西原体模型,建立了一个可变黏性系数的黏性元件,用来替代传统西原体模型中的常规黏性元件,并推导出改进后的西原体模型的本构方程和一维、三维蠕变方程。通过不同应力等级下的三轴压缩蠕变试验,采用Origin软件对该模型进行参数辨识及曲线拟合,对比分析实际试验数据与模型参数,结果表明：试验实际数据值与理论计算值吻合度均大于0.93,改进的西原体模型能够准确描述岩石加速蠕变阶段的特征,验证了该模型的正确性和适用性,具有重要的理论意义。     

软岩巷道二次合理支护时间的确定

针对软岩巷道围岩破坏性强、难支护的特性,提出了软岩巷道二次合理支护时间的确定方法,用于指导工程实践。从岩石应力-应变关系、蠕变过程、长期强度和能量耗散的角度进行软岩巷道的流变破坏机理分析。采用圆形断面巷道及西原模型,结合弹性力学基本解与西原模型本构关系,引入损伤变量,应用拉普拉斯变换及逆变换,并求导得到围岩变形速率方程。通过蠕变试验结合最小二乘法拟合或者位移反分析法求出蠕变参数,进而确定软岩巷道围岩二次合理支护时间,对于地下支护理论设计具有一定的指导意义。     

改进的岩石Burgers流变模型及其试验验证

为了准确描述不同轴压下岩石流变过程中的瞬时应变变化规律,提出一种用于描述岩石流变试验中瞬时塑性应变变化规律的裂隙塑性元件,将该元件与传统Burgers模型相结合组成改进的Burgers模型,给出了模型加卸载流变方程,对该模型的蠕变特性进行了分析。对莒山矿粉砂岩进行瞬时三轴压缩试验,得到试样在不同围压下全应力-应变曲线,给出了围压与峰值强度的线性关系,对粉砂岩试样进行多级增量循环加卸载流变试验,对试验数据进行辨识和分析,结果表明:瞬时塑性应变在模型参数辨识过程中不能忽略。使用改进的Burgers模型对不同应力水平条件下粉砂岩加卸载流变试验结果进行了拟合,效果较为理想,同时与传统Burgers模型对试验数据的拟合效果进行比较,验证了改进模型的正确性和合理性。     

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。     

三轴压缩下巷道围岩蠕变参数分析及寿命预测研究

为了研究不同围压作用下巷道围岩的蠕变力学特性，采用RLJW-2000流变仪开展了砂岩单轴压缩蠕变和围压为2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa的三轴压缩蠕变试验，引入一个带有长期强度和时间阈值的黏塑性损伤元件，与Burgers模型串联构建三维蠕变模型，分析了不同围压下岩石的蠕变参数演化规律。结果表明：蠕变作用下砂岩长期强度约为峰值强度的72%;建立的三维蠕变模型可以精准地描述不同围压下砂岩三轴蠕变全过程。最后，根据进入加速蠕变的应变阈值和损伤变量演化特征提出了蠕变寿命预测方法，预测结果具有较高的准确度。     

基于西原加速模型的煤岩蠕变试验研究

西原模型能很好的模拟初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段,但却不能描述加速蠕变阶段。为了描述加速蠕变阶段,通过改变已有西原模型的时间参数,得出另一种模型(根据该模型的特点命名为西原加速模型),并由理论推导出其表达式。通过煤样的单轴压缩蠕变实验,取得相关实验数据,然后利用数值分析软件Matlab将实验所得数据与理论研究结果进行拟合分析,得出其吻合程度较高,说明该模型能很好的反映实际情况,并弥补了西原模型不能够反应蠕变第3阶段的不足。     

软岩现场流变试验及非线性分数阶蠕变模型

软弱岩体的流变力学特性研究对于保证矿井软岩巷道围岩的稳定性具有重要的意义,有必要进行软弱岩体的现场流变试验及其本构模型的研究工作。首先进行了煤矿软岩巷道底板大体积软弱岩体的现场分级加载压缩蠕变试验,其后引入分数阶微积分理论,采用Abel黏壶元件替代传统Burgers流变模型中的粘弹性体(即Kelvin体),并基于现场岩体流变试验结果中岩体试样在加速蠕变阶段的变形特征,在改进后的Burgers模型上串联上非线性黏塑性体(即NAVPB),建立了现场软弱岩体的非线性分数阶蠕变模型,最后基于岩体试样的流变试验数据,进行了非线性分数阶蠕变模型和Burger模型的参数拟合与对比分析。软弱岩体现场流变试验结果表明:岩体试样是否发生加速蠕变与加载的应力水平有关,其蠕变存在加速蠕变应力阈值,应力不大于该阈值时,岩体试样蠕变只发生衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,且稳定蠕变阶段变形速率不为零;应力大于该阈值时,岩体试样经历完整的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3阶段并最终发生破坏,且存在加速蠕变启动时间点。模型参数拟合及对比结果表明:提出的软弱岩体非线性分数阶蠕变模型结构较为简单,相较于Burgers模型,能较好地...     

基于非定常分数阶的岩石时效性蠕变模型

为了研究砂岩在不同围压作用下的蠕变特性,采用MTS 815.02试验机对砂岩进行三轴蠕变试验,进而分析了砂岩在不同围压作用下的蠕变变形规律.将黏壶黏滞系数非定常化来构建非定常Abel黏壶,在此基础上对分数阶阶数进行非定常化,进而建立一种基于非定常分数阶的砂岩时效性蠕变本构模型,使得该模型可以更好地描述岩石的加速蠕变变形规律;通过Levenberg-Marquardt算法对三轴蠕变模型参数进行识别,来验证构建蠕变模型的正确性.结果表明:在时间和应力双重作用影响下,将分数阶阶数γ当做是一个关于应力和时间的函数,构建的非定常分数阶砂岩三维时效性蠕变本构模型可以很好地描述岩石的加速蠕变变形规律;模型曲线和试验曲线拟合均在0.95以上,侧面证明了将分数阶阶数非定常化是可行的.同时,采用单轴蠕变曲线和蠕变模型曲线进行对比,得出试验数据与一维时效性蠕变模型的吻合度也较高,这进一步说明了采用非定常化分数阶阶数建立的一维时效性蠕变模型是可靠的.     

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。     

钙芒硝蠕变特性的研究

蠕变是岩石的一个重要力学特性,其变化特性影响着岩石工程结构长期的安全稳定性。为了研究钙芒硝的蠕变规律,在西原模型中引进一个随时间变化的粘性系数,建立了钙芒硝单轴、三轴蠕变模型。为了验证模型的准确性,进行了大量的蠕变试验,分析了载荷大小对蠕变三个阶段所经历时间的影响。利用Origin软件的自定义函数,结合单轴、三轴蠕变试验,拟合得出所建模型中的各个参数。拟合结果表明,所建蠕变模型能够较好的描述钙芒硝的单轴、三轴蠕变特性,且其单轴长期强度小于三轴长期强度。     

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。     

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.     

渗透压作用下黄山石灰石矿区炭质泥页岩剪切蠕变特性分析

针对西南地区二叠系软弱夹层在降雨反复作用下蠕变效应明显等问题，以四川省黄山石灰石矿区炭质泥页岩为研究对象进行渗透压作用下的剪切蠕变试验，得到其剪切蠕变试验曲线，通过分析其蠕变特性以及非线性破环规律，基于传统的西原模型，提出了一种能同时描述炭质泥页岩黏弹塑性特性的非线性蠕变模型，并利用该模型进行剪切蠕变参数辨识，结合FLAC3D数值模拟计算，研究了炭质泥页岩变形破坏特征，对比分析了室内试验结果和数值模拟结果，数值模拟结果证实了室内试验的可靠性以及本构模型和参数选取的合理性。研究结果表明：在渗透压、法向压力以及剪切应力的作用下，炭质泥页岩试样经历了完整的蠕变三阶段；改进的西原模型能够很好地拟合炭质泥页岩蠕变的三个阶段，对加速蠕变阶段的拟合效果也很好；运用FLAC3D软件对室内剪切蠕变试验进行计算得到的数值模拟结果与实际结果相吻合。     

膏体充填开采胶结体的蠕变本构模型

为分析膏体充填开采胶结体的蠕变特性,进行了三轴蠕变试验。在试验基础上推导了考虑时间和应力2个变量的损伤演化方程,将损伤变量引入改进的西原模型中,建立了新的本构模型,推导了胶结体的三维蠕变本构方程。根据试验数据对该模型的蠕变参数进行拟合,将理论计算的蠕变曲线与试验得到的蠕变曲线进行了对比。研究结果表明：膏体充填开采胶结体属于黏弹塑性材料,具有明显的流变特性。在偏差应力值较小的应力水平下仅有衰减蠕变和稳态蠕变2个蠕变过程,在偏差应力较大时有加速蠕变阶段,蠕变值随偏差应力值的增加而增加,蠕变值增大速率随偏差应力值的增加而减弱。引入损伤的改进西原模型能较好地反映胶结体的蠕变规律。     

细砂岩阶段蠕应变特征与粘滞性试验研究

对细砂岩试样进行单轴短时加卸载蠕变试验,得到轴向和径向蠕变试验曲线。对轴向和径向蠕变第Ⅰ、Ⅱ阶段的试验曲线分别进行Kelvin-Voigt模型和Burgers模型拟合,得到粘滞系数。粘滞系数-加载应力关系普遍符合扩展的正弦衰减(阻尼)波形函数,表明岩石的粘滞系数是变量,岩石材料的蠕变过程本质为非定常蠕变。细砂岩发生的总蠕应变平均占瞬态应变值的比例较低,其总体蠕变特性不明显,但稳态阶段的径向蠕应变率平均值是轴向蠕应变率平均值的3.6倍。细砂岩初期蠕应变量及稳态阶段蠕应变量随加载应力水平提高而增加,证明其粘性流动度呈递增趋势。     

高德煤矿花岗岩蠕变损伤模型研究

为了研究高德煤矿围岩的蠕变特性以及加载过程中的损伤演化性质,对花岗岩试样进行了分级加载蠕变试验,基于Burgers模型引入改进的Kachanov损伤模型,建立了能描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型,通过数值模拟计算对考虑和不考虑损伤的巷道控制点的变形量进行对比,探讨损伤模型在实际工程中的运用。研究结果表明:由径向蠕变确定的岩石长期强度小于轴向长期强度,且径向蠕变较轴向蠕变更加敏感;当应力水平达到径向长期强度时,开始出现扩容现象,当应力水平达到轴向长期强度时,体积应变开始由正值变为负值。结合轴径向蠕变试验曲线,对蠕变损伤模型参数进行辨识,决定系数达到0.97以上,模型曲线与试验曲线吻合度高,验证了所建立蠕变损伤模型的合理性;建立的蠕变模型考虑损伤比不考虑损伤的位移大许多,考虑损伤最大变形比不考虑损伤最大变形增大约0.055 27 mm,验证了蠕变损伤模型可以更好地反映巷道围岩的劣化效应,利于巷道的后期支护与安全。