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。     

一种含夹层盐岩模型材料的试验研究

以江苏金坛盐矿天然含夹层盐岩为原型,采用天然盐粉、精制石英砂、松香和酒精等作原料,根据相似原理,经过多次配比试验,研制出一种含夹层盐岩相似材料,其密度、泊松比、弹性模量、抗压强度等物理力学参数基本满足相似理论设定参数,其变形特征和破坏特性也与天然含夹层盐岩相似。试验结果表明：压制力增大,含夹层盐岩模型材料的力学强度越高;含水率和夹层厚度增加,将弱化其力学强度;夹层总厚度相同时,夹层数目多的模型材料比夹层数目少的力学强度略高。     

层状盐岩高温蠕变特性研究

层状盐岩的高温蠕变特性是地下处置库稳定性研究的关键问题所在。通过对层状盐岩进行70℃、90℃、110℃高温蠕变特性试验,研究了温度及偏应力对蠕变率的影响,根据蠕变曲线及试验参数,回归出了稳态蠕变率本构方程,并拟合了试验参数,为我国核废料硐室处置库的建造及稳定性分析提供理论依据。     

含杂质盐岩力学特性对比试验研究

从某地拟建地下盐穴储库库区取芯,对含不同杂质盐岩（纯盐岩、钙芒硝质盐岩、硬石膏质盐岩及泥质混合盐岩）进行了力学试验,并对所获得的力学特性进行了对比分析。结果表明：① 在单轴和三轴压缩试验过程中,不同杂质成分对抑制盐岩的变形能力、提高盐岩抗压强度的作用有所不同;② 含不同杂质盐岩的弹性模量、单轴抗压及抗拉强度有较大变化区间,钙芒硝质盐岩的弹性模量和抗拉强度较大;③ 通过三轴压缩试验获得含不同杂质盐岩内摩擦角的量值明显低于纯盐岩,而黏聚力均大于纯盐岩。除纯盐岩外,硬石膏质盐岩的内摩擦角和黏聚力相对较小。     

层状盐岩力学特性及蠕变破坏模型

以湖北云应盐矿地下600～700m的含泥岩夹层的层状氯化钠盐岩试件为研究对象,进行常规力学实验和不同应力批次下的单轴压缩蠕变试验,发现层状盐岩是一种特殊的组合软岩,其弹性模量比较少,盐岩层横向变形能力很大.蠕变试验得出:(1)在充分长的蠕变时间内,层状岩盐蠕变的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段显现明显,且加速蠕变阶段持续时间较长;(2)在稳态蠕变阶段出现了夹层内陷和盐岩层外鼓现象.这种不协调蠕变将导致层面的剪切错动.建立层状岩盐蠕变破坏模型,定义层状盐岩蠕变损伤变量为盐岩试件环向拉应变与盐岩的极限拉应变之比,从理论上揭示了夹层与盐岩层蠕变特性的差异而导致盐岩层蠕变破坏机理,较好地解释了夹层首先劈裂破坏,带动盐岩互层张拉裂纹扩展的实验现象.     

溶浸作用下钙芒硝盐岩蠕变特性研究

在原位溶浸开采过程中,钙芒硝长期在应力、水的作用下,其岩体强度不断发生变化,上覆岩层逐渐失去钙芒硝的承载作用。为了研究开采过程中钙芒硝的蠕变特性,采用三轴岩石力学试验机,通过物理试验方法,进行了轴压5 MPa、围压4 MPa、不同渗透液浓度条件下的钙芒硝三轴蠕变试验。研究结果表明:钙芒硝的溶解具有显著的浓度效应,该效应对其蠕变变形有很重要的影响。在蠕变初期,蠕变应变随渗透液浓度的增大而减小,在蠕变后期,蠕变应变随渗透液浓度的增大而增大;当渗透液分别为饱和氯化钠溶液、半饱和氯化钠溶液、淡水时,钙芒硝分别经历336 h、101.7 h、67.2 h的蠕变后,其蠕变应变分别为0.1335%、0.051%、0.04%。     

四川三叠系盐岩蠕变规律实验研究

介绍利用三轴压缩蠕变实验装置对四川三叠系盐岩试样进行了各种温度、压力条件下的常规三轴压缩蠕变实验研究，得到不同温度和压力水平下的岩石蠕变试验曲线，用经验公式对实验结果进行拟合．得到在不同温度盐岩材料随时间变形的规律。研究结果对生产实践有重要的指导意义。     

含水煤体蠕变损伤特性及本构模型研究

为了获得水力孔洞周围煤体随时间的蠕变规律,进行不同含水率煤样的分级单轴加载蠕变试验。研究不同含水率煤样的蠕变规律及蠕变损伤演化特征,然后结合含水率优化传统Burgers模型。试验结果表明：煤样随含水率的增加,瞬时应变、稳定蠕变和加速蠕变都逐渐增大;瞬时应变均小于逐级加载阶段的蠕变应变;与干燥状态相比较,含水率为0.89%,3.54%和6.26%的煤样最终蠕变量分别为1.23 mm、1.68 mm和1.89 mm,蠕变量分别增加了9.82%,50%和68.75%,高含水率煤样蠕变增加幅度较大。基于含水率对蠕变参数的影响,传统的Burgers模型能描述衰减蠕变和等速蠕变两个阶段,但是,缺少对加速蠕变阶段的描述,以及串并联组合成的蠕变模型缺少对非线性蠕变过程的描述;引入含水损伤下的弹性元件和一个非线性时变黏性元件,对构建的含水损伤蠕变本构模型采用Levenberg-Marquardt优化算法辨识和反演确定参数,蠕变模型的理论计算值与试验结果吻合程度较高,能够描述煤体含水后的蠕变破坏规律。     

夹层力学特性对盐岩储库稳定性影响的模拟分析

针对在层状盐岩构造中修建储库时,夹层对储库长期稳定性具有重要影响这一关键问题,建立储库三维单腔模型,通过数值试验,讨论了含不同厚度软、硬夹层的盐岩储库在不同运行内压长期作用下的稳定性,详尽分析了各种工况下的腔体收缩率,围岩塑性区及腔体最大位移分布。结果表明:随腔体含软夹层厚度增大,腔体收缩率呈略微上涨,而随硬夹层厚度增大,则出现较明显的下降。软夹层厚度的变化对围岩塑性区影响并不明显,硬夹层厚度的变化则会带来比较明显的影响,且含软、硬夹层腔体塑性区分布在夹层处存在显著差异,另外软夹层对塑性区的影响要比硬夹层小得多,且塑性区对随内压增加而减小的现象反应更为敏感,硬夹层在低压下比软夹层更容易破裂。含软夹层腔体最大位移量发生在夹层处,含硬夹层腔体最大位移量发生在盐岩处。最后综合分析发现,小厚度的硬夹层,大厚度的软夹层,对腔体的稳定性更为不利。     

深部盐岩溶解速率试验研究

利用自制仪器对某超深地层(约2000m)盐岩、含泥盐岩进行了常温和高温溶解试验,发现密度与时间关系呈现指数衰减,并对其参数进行了拟合,得出常温下纯盐岩的溶解速率是含泥盐岩的1.26倍,高温86℃和高温50℃时的溶解速率分别是常温下的2.32和1.49倍。根据质量守恒原理,分别推导得出了常温和高温下溶解速率与密度的函数关系。通过实验数据得出,常温和高温下溶解速率与密度都可以近似成线性关系,并对各个参数进行了拟合,为深部盐岩溶腔建腔模拟提供了基本参数。     

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:(1)不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;(2)不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;(3)对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;(4)构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试...     

某矿区岩石蠕变力学特性研究

利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪对某矿区岩石进行了蠕变试验, 在对试验数据进行深入分析的基础上, 选用Burgers模型对试样的蠕变特性进行了描述。结果表明, 当应力水平处于稳定状态时, 试样轴向应变逐渐增大并最终趋于稳定, 且蠕变应变随应力水平增长而增大; 随应力水平提高, 试样瞬时弹性模量呈上升趋势; 试验得到的蠕变试验曲线与模型理论曲线基本吻合, Burgers模型能较好地描述该矿区岩石的蠕变特性。     

泥岩变温蠕变试验温度修正及蠕变特性

以郓城煤矿泥岩为研究对象,进行了常温范围内泥岩变温三轴压缩蠕变试验,试验结果表明常温范围内温度对泥岩蠕变应变影响较大,对泥岩蠕变速率影响较小,进行泥岩蠕变特性分析前必须对蠕变试验结果进行温度修正。根据温度周期变化下岩石稳态蠕变试验结果,提出了常温范围内岩石蠕变试验温度修正方法,该方法能较好的辨识得到岩石的温度应变率以及岩石的稳态蠕变速率,采用该温度修正方法对泥岩变温蠕变试验结果进行了辨识和修正,结果表明常温范围内围压25 MPa条件下泥岩温度应变率约为2.80×10-5 /℃,修正后泥岩蠕变特性与西原模型相符,试样的稳态蠕变速率与轴向偏应力近似呈线性关系。     

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。     

泥质页岩注浆结石体的蠕变特性试验研究

在分析已有软岩蠕变机制成果的基础上,为了研究软岩注浆结石体的蠕变特性,分析了不同荷载水平以及不同含水条件对泥质页岩注浆结石体蠕变特性的影响。试验结果表明:1)在相同含水率状态下,蠕变变形随着荷载水平的增加而增大;软岩注浆结石体不同蠕变特性曲线间的转换存在一个荷载阈值,当荷载小于该阈值时,蠕变为稳定蠕变,大于该阈值时试样进入加速蠕变且短时间内直接破坏。2)在相同荷载水平下,随着含水率的增加,蠕变变形逐渐增大且变形增长速率较快。低应力等级下含水率对注浆结石体的蠕变特性影响较大,而高应力下的影响相对较小。3)Burgers模型可以较好地描述注浆结石体的蠕变特性。     

高温三轴应力下气煤蠕变特征及本构模型

采用中国矿业大学研制的“600 ℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,对尺寸为 200 mm×400 mm的山东兴隆庄气煤进行了200 ℃和400 ℃两个温度点的三轴应力下的蠕变实验。实验表明：200 ℃时,气煤蠕变具有明显的第1,2阶段,但未出现加速蠕变阶段,而400 ℃时,气煤在很短时间内就进入加速蠕变阶段;在温度和应力共同作用下,气煤在加载瞬间及后续变形过程中,始终伴随着显著的塑性变形,煤体变形为典型的黏弹塑性变形。通过对不同温度下气煤的渗透率和孔隙率的分析,初步判断300 ℃是气煤蠕变特征发生变化的临界温度。根据气煤高温蠕变特征,引入一种新型的非线性黏壶,构建了气煤的高温蠕变本构模型,该本构模型轴向蠕变的理论曲线和实验曲线吻合较好,表明该本构模型能较好地模拟高温下气煤的蠕变特征。     

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。     

考虑矿柱流变效应的采空区力学模型分析

采空区是地下采矿活动中所形成的空洞区。 为预测采空区自稳时间,指导矿山安全生产,本研究以某 钨矿 2 线 0 沿南采空区为工程背景,通过采空区影响因素敏感性分析,基于 Burgers 蠕变模型和弹性薄板模型,构建采 空区三维蠕变力学模型,最后应用 Flac3D 模拟软件,进行采空区自稳流变效应的对比分析。 结果表明:根据构建的采 空区三维蠕变力学模型,推导出了顶板下沉位移量随时间变化的表达式,计算得出该采空区自稳时间为 120. 22 个月, 与采用 Flac3D 软件计算得出的 118. 06 个月自稳时间相近,表明所建立的三维蠕变力学模型能够较好地应用于采空区 自稳时间的预估。     

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.