基于应变屈服临界的岩石黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究岩石的非线性加速蠕变特性, 依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征,划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态,并给出了相应状态的蠕变力学特性。假定岩石在三轴压缩试验条件下,发生延性剪切破坏,推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式。基于Perzyna黏塑理论,考虑后继屈服硬化作用,引入统计损伤因子,构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型;采用岩石全自动伺服三轴蠕变试验机对三峡库区典型砂岩试样开展了蠕变试验,得到了岩石试样在不同应力水平作用下的蠕变变形曲线。结果表明:蠕变试验中,岩样力学性质的时效特征显著,在最后一级应力水平作用下发生了非线性加速蠕变现象。基于提出的黏弹塑性蠕变模型对试验曲线进行拟合,拟合结果说明模型能够较好地反映砂岩蠕变3个阶段变形的规律特征,拟合效果较好。     

基于Norton方程的岩石蠕变损伤曲线的测定

Norton方程通常用于反映金属类材料的稳态蠕变阶段,为了研究Norton方程在岩石材料蠕变损伤的适用性,通过单轴蠕变压缩试验,对同一批试件施加不同轴向应力,绘制不同应力下的时间-蠕变曲线,随着轴向应力的增加岩石出现衰减、稳态及加速蠕变三个阶段。根据Norton提出的经验公式和七点法计算出岩石的应力指数,结合损伤力学理论与Norton提出稳定蠕变和加速蠕变的指数关系,计算出不同时间点的损伤变量,从而绘制出岩石的时间损伤曲线。采用前人提出的损伤模型绘制理论曲线和实验曲线对比,结果表明该曲线符合岩石随时间流变的损伤演化规律,从而得出岩石加速蠕变阶段的损伤曲线符合Norton方程。     

考虑裂纹闭合效应的岩石损伤力学模型及耗散能量分析

针对现有岩石损伤力学模型的局限性,考虑裂纹闭合效应,并引入统计损伤理论,同时提出分布参数确定的方法,建立新型岩石损伤力学模型。该模型更加符合岩石的变形破坏规律,还可以反映岩石的残余强度和延性特征,应用范围更广;与试验结果及前人成果对比,表明模型更为合理可行。不同围压下岩样的损伤变量演化曲线都遵循S型曲线,并可以依据S型曲线对岩石的变形破坏阶段进行划分。裂纹闭合系数(h)对损伤耗能率有较大影响,随着h的减小,损伤耗能率增大,当h达到一定值,岩石破坏阶段对应的损伤耗能率陡增。因此,岩石的变形破坏不仅与其应力状态有关,还与岩石的损伤演化积累以及裂纹闭合效应有关。     

单轴压缩岩石蠕变损伤扩展细观机理CT实时试验

采用作者研制的CT(computerized tomography)机专用三轴加载试验设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石蠕变细观损伤演化CT实时试验。得到了岩石蠕变损伤演化全过程中从裂纹萌生、伸长、增宽、分叉、断裂到破坏等各个阶段清晰的CT图象。从CT数和CT图象的变化规律出发，对岩石蠕变损伤三阶段的扩展细观机制进行了分析，完成了裂纹宽度、长度随时间发展的变化规律的定量研究，给出了岩石蠕变细观损伤演化的初步规律。建议用CT数下降速度的概念来判断岩石蠕变损伤第3阶段的门槛值。试验结果表明，单轴压缩岩石蠕变CT试验的结果令人满意，CT机专用三轴加载设备的研制是成功的，这为岩石蠕变细观试验提供了一个创新的试验手段。     

考虑时效损伤的岩石分数阶蠕变本构模型

为准确描述岩石蠕变变形破坏全过程,引入连续损伤和分数阶微积分理论建立全面、简练的蠕变本构模型。首先基于弹性模量随时间衰减规律,根据能量损伤的方式定义损伤变量,构建考虑时效损伤的弹性体,并验证该损伤演化方式的可行性。采用Riemann-Liouville型分数阶微积分算子理论,构建具有非线性特征的分数阶软体元件,利用该软体元件作为分数阶黏滞体描述岩石黏弹性应变,在该软体元件的基础上进行损伤演化,得到考虑时效损伤的分数阶黏塑性体。联合分数阶黏滞体、考虑时效损伤的弹性体和分数阶黏塑性体,建立一个新的考虑时效损伤的分数阶蠕变本构模型。给出参数解析方法,利用泥质板岩蠕变数据验证模型合理性和优越性。分析损伤发展过程,判断模型参数敏感度,并通过红砂岩、千枚岩单轴压缩各向异性蠕变特性试验研究蠕变试验数据验证模型适用性。研究成果为岩石蠕变全过程辨识及岩体工程长期稳定性研究提供一定参考。     

分级加卸载下砂岩蠕变试验及模型研究

采用分级加卸载方式,利用五联流变实验系统对陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司砂岩进行单轴蠕变试验。针对岩石蠕变的衰减、稳定和加速三阶段特征,将Burgers模型中串联的牛顿体的黏滞系数修正为与应力、时间相关的函数,考虑损伤在蠕变过程中的影响,基于损伤理论和Lemaitre应变等价性假说,建立损伤体模型。将Hooke体、Kelvin模型、修正牛顿体和损伤体四者串联组成一个新的非线性损伤蠕变模型,推导新模型的本构方程和蠕变方程,该模型以一个统一的函数描述岩石在不同应力水平下的蠕变曲线。基于单轴蠕变试验结果,对模型参数进行辨识和敏感性分析,将新模型与试验蠕变曲线对比。结果表明:模型能很好地拟合岩石蠕变,模型无须采用分段函数即可描述砂岩蠕变的全过程,弥补了Burgers模型无法描述加速蠕变的不足,从而验证新模型的合理性。     

香炉山引水隧洞围岩的蠕变特性及模型研究

为了探究滇中引水隧洞围岩的蠕变特性,采用实时高温常规三轴试验系统开展岩石的力学性能和蠕变试验。在建立岩石蠕变本构模型的基础上,根据蠕变试验曲线的特点,提出了一种确定蠕变参数的方法,并分析了不同应力水平下蠕变参数的变化规律,构建了蠕变参数与应力的关系。最后将各蠕变参数与应力之间的表达式代入蠕变本构模型中,得到修正的蠕变本构模型。结果表明：建立的蠕变模型不仅准确反映了衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特征,而且克服了传统模型难以描述加速蠕变的缺点。同时,该方法确定的蠕变参数不仅可以反映应力对蠕变参数的影响,还可有效反映应力状态对蠕变变形规律的影响。     

考虑含水损伤的Q2黄土非线性蠕变模型研究

对Q2黄土进行不同含水状态下的三轴蠕变试验,结果表明,随着含水率的增高,Q2黄土的流变性能增强。根据试验曲线形态特征,选用一个广义Kelvin模型串联一个非线性黏塑元件组成非线性黏弹塑性模型(改进的西原模型)。应用改进的西原模型对试验数据进行拟合求参,结果显示瞬时变形模量EH、黏弹性变形模量EK、黏弹性黏滞系数ηK随含水率增加呈指数形式递减。引入含水损伤变量D(ω),计算得出各蠕变参数含水损伤演化方程,进而建立考虑含水损伤的非线性蠕变模型。应用试验数据对其进行验证,证明考虑含水损伤的非线性蠕变模型能够有效的描述Q2黄土的整体流变特征。     

高温作用后的北山花岗岩时效变形特征研究

以甘肃高放废物重点预选场址的北山花岗岩为研究对象,开展不同热损伤和围压条件下的三轴分级蠕变试验,分析热力耦合作用下的北山花岗岩蠕变变形机理。试验结果表明,在单轴条件下,北山花岗岩的微裂纹密度随热处理温度升高而逐渐增加,进而导致轴向峰值应变持续增大。150℃和300℃温度荷载造成的轻微热开裂引发了裂纹尖端钝化,从而增强了热损伤花岗岩的长期强度;当热处理温度达到600℃后,石英相变产生的差异性热膨胀导致北山花岗岩的热裂纹密度显著增加,进而造成长期强度急剧降低。相比之下,在5 MPa和25 MPa围压的三轴蠕变试验中,静水压力能够愈合较低温度荷载造成的热开裂,使150℃和300℃热损伤花岗岩的轴向峰值变形和长期强度恢复至无损岩石水平。然而,上述静水压力未能完全愈合600℃热处理温度造成的热开裂,热损伤花岗岩的残余微裂纹导致轴向峰值应变增大,并造成了裂纹尖端的钝化效应,最终导致北山花岗岩的长期强度增大。     

基于分数阶微积分的Q2黄土含水损伤蠕变模型

为探索含水Q₂黄土的蠕变特性,对Q₂黄土进行不同含水状态下的三轴蠕变试验,试验结果表明随着含水率的增高,Q₂黄土的流变性能增强。基于分数阶微积分构造的软体元件可描述理想的固体与流体之间材料性质的特性,选用包含软体元件在内的四元件非线性蠕变模型对试验数据进行回归计算拟合求参,并对不同含水率下的模型参数进行分析。结果显示瞬时变形模量E_H与黏弹性系数ξ₁均随含水率增加呈指数形式递减;引入含水损伤变量D_(ω),计算得出各蠕变参数含水损伤演化方程,进而建立考虑含水损伤的非线性蠕变模型,通过应用试验数据对其进行验证,结果表明基于分数阶微积分的含水损伤蠕变模型能够有效地描述Q₂黄土的整体流变特征,模型具有较好的应用前景。     

考虑损伤的混凝土非线性徐变模型

采用断裂力学理论分析考虑徐变变形的材料内裂纹尖端实际能量释放率,研究持续荷载作用下混凝土内微裂纹应变能累积规律,认为在相同应变能累积情况下,长期持续荷载和单轴荷载下微裂纹扩展演化状态相同。基于柔度张量等效假设建立了混凝土的非线性徐变模型,实际应用表明,此模型与不同强度等级混凝土非线性徐变试验结果吻合较好,能反映混凝土损伤与徐变的耦合机理。     

分级加载条件下深部灰岩蠕应变特性研究

为研究深部灰岩蠕应变特性,采用GDS-VIS三轴流变仪对不同深度试样做分级加载单轴蠕变试验。基于试验结果,计算出灰岩长期强度与瞬时强度之比的均值为0.758,且深度越深比值越小;分析不同深度灰岩在各分级应力水平下轴向蠕应变增量与加载级数的变化规律,并将蠕应变增量进行一次累加,得到轴向蠕应变。结果表明:蠕应变增量随级数的增加呈现先减小后剧增的变化规律,且随深度增加,蠕应变增量达到谷底所对应的应力百分比有明显增大趋势;在分级加载过程中,随级数增加,轴向蠕应变先后呈现减速增加、等速增加和加速增加3个发展阶段;当恒载应力百分比为60%~70%时,蠕应变趋于稳定,当超过该范围后,蠕应变加速增加直至发生蠕变破坏。研究得到的这一应力百分比范围可以为识别深部灰岩是否会发生蠕变破坏提供依据。     

一种基于土体率敏性的长期变形预测方法

土体长期变形的预测与控制是大量工程建设的关键性问题。常规方法是结合蠕变试验来预测土体变形,其存在耗时长、难以考虑复杂应力路径以及不便用于复杂有限元计算分析等缺点。考虑土体的率敏性特征,通过对饱和超固结土以及人工制备结构性土分别开展3种不同加载速率下的三轴剪切试验,获得了土体强度、变形以及率敏性指标,从而得到了基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型参数,并利用该模型成功预测了土体的率敏性和蠕变变形行为。结果表明:①结合土体率敏性试验来预测土体长期变形,仅较常规土三轴试验增加了几组不同加载速率的剪切试验,而不需增加额外的试验条件,试验效率高;②由土体率敏性试验确定的本构模型参数能正确预测土体的蠕变变形,试验结果与模型预测结果吻合良好;③基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型可用于复杂边值问题的有限元计算。结果表明提出的结合土体率敏性来预测土体长期变形的新方法将具有很好的工程应用价值。     

基于水利水电工程实测变位资料的覆盖层徐变

通过几座建筑于深厚覆盖层上的水工建筑物持续发展的实测变位资料,分析深厚覆盖层的徐变原因、徐变对工程安全的影响以及徐变的防治措施。认为覆盖层徐变可能与其局部架空现象、软弱颗粒的压碎充填及应力水平较高等因素有关;覆盖层徐变一般会逐步收敛,但若破坏了闸坝防渗体系,导致地基渗流破坏,则会危及工程安全;发现覆盖层持续变形现象后,应结合地质资料、监测资料及结构运行状态等进行全面分析,严格区分结构失稳与覆盖层徐变的界限,根据变形量大小、发展趋势及对工程的危害程度有针对性地采取措施。     

砂岩分级加卸载蠕变特性试验研究

为了研究砂岩的蠕变力学特性,采用RLW-2000型流变试验机进行三轴分级加卸载蠕变试验。通过黏弹塑性应变分离的方法,得到砂岩在不同偏应力水平下的瞬时弹性、瞬时塑性、黏弹性和黏塑性应变,并对黏弹塑性应变及弹性模量的变化规律进行探讨。试验结果表明:岩石蠕变为黏弹塑性变形过程,加载过程中表现有瞬时变形、衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,卸载过程中表现出瞬时及滞后变形恢复现象;岩石初始蠕变速率与稳态蠕变速率比较可达2个数量级的差异,均随偏应力水平的提升而递增;岩石等时偏应力-应变关系表现出明显的非线性特征,曲线逐渐偏于应变轴,岩石蠕变变形同时具有线性和非线性特征。研究成果可为地下工程的长期稳定性研究提供一定参考。     

基于AE统计模型的砂岩蠕变试验研究

为分析水溶液对砂岩蠕变特性的影响,利用RLJW-2000岩石流变伺服仪对3种含水率下的砂岩进行了单轴长期力学行为研究,并利用PAC声发射(AE)监测仪对砂岩试验全过程进行声信号采集。试验结果表明:砂岩在长期荷载下,表现出应变硬化特征,有明显的蠕变稳态阶段,伴随加载的进行,蠕变速率随之增大;随着含水率的增加,相同应力等级下的蠕变速率随之增大。振铃计数率与蠕变速率具有相同的变化趋势,且累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线两者走势基本相同。在假设试验材料服从Weibull统计分布的前提下,通过AE事件数表示岩石的损伤程度,推导出了基于AE事件点的损伤演化方程,相同应力水平下,高含水率砂岩内部损伤发展较低含水率快。比较蠕变曲线和损伤变量曲线的加速临界时间点,发现基于损伤变量得到的临界时间点相对蠕变加速时间点较为提前,说明利用声发射来预测蠕变破坏时间更为准确,这对于实际工程中的灾害防治工作有着重要作用。     

高应力下西安含水层砂土蠕变特性的试验研究

针对西安市地面沉降研究,运用自行研制的高压固结仪,选取了西安市含水层具有代表性的中细砂样,模拟承压含水层的深部的应力环境和水位变化,进行了高应力状态下的一维蠕变试验研究。试验结果表明:西安中细砂的蠕变特征除了受有效应力大小影响外,还与砂土所受应力历史有关。在承压水位下降的情况下,西安中细砂的压缩变形具有显著的蠕变特征;而在承压水位上升情况下,中细砂发生膨胀过程蠕变不明显。根据试验前后激光粒度分析曲线和电镜扫描对比,砂土的蠕变除了和土颗粒间的滑移错动有关外,还和砂土颗粒的破裂有关。在总结试验规律和变形机理的基础上,提出了适合于西安市中细砂蠕变特性的广义Kelvin模型。模型识别得到的广义Kelvin模型的5个参数并不是常数,而是随着应力水平的不同呈现出一定的规律变化性。     

紫红色泥岩三轴蠕变力学特性试验研究

为揭示泥岩在不同应力环境下的蠕变力学特性,对取自某在建工程的紫红色泥岩分别进行围压为0.5,1.0,2.0,5.0 MPa的分级加载蠕变试验。试验研究表明围压越大,泥岩的强度越大,塑性变形能力越强,流变特性越显著;相同围压下,稳态蠕变速率随偏应力呈幂指数函数型增长;相同偏应力下,稳态蠕变速率随围压升高而降低;利用等时应力-应变曲线法,得到泥岩的长期强度分别为11,16,22.5,29 MPa,均较各自围压下短期强度值降低40%~45%;通过摩尔强度准则得到的长期内聚力和内摩擦角分别为3.09 MPa和34.8°,分别较短期参数降低20.6%和25.9%。根据研究成果给出了一种带应变触发的分数阶蠕变本构模型,理论曲线与试验曲线拟合度良好,能较好地模拟泥岩的蠕变全过程。