基于反S函数的盐岩单轴压缩全过程蠕变模型

为了研究盐岩的蠕变特性,对盐岩试件开展不同轴向应力下的单轴压缩蠕变试验。试验结果显示,盐岩稳态蠕变率和相同时刻的蠕变应变均随轴向应力增大而非线性增大,两者随轴向应力的变化规律均可用指数函数描述;盐岩蠕变过程具有非线性特征,且轴向应力越大、蠕变时间越长,非线性特征越明显。为了确定盐岩长期强度,提出一种改进的稳态蠕变率拐点法,该法确定的盐岩长期强度值与等时应力–应变曲线拐点法确定的结果非常接近,可为类似研究提供一定的借鉴。从唯象学的角度出发,通过对S形函数求反函数的方法,提出一种新的岩石单轴压缩全过程蠕变模型,并利用盐岩蠕变试验结果对模型合理性进行验证。结果表明,该模型不仅能够描述盐岩在低应力水平下的衰减蠕变和稳态蠕变,还能反映高应力水平下盐岩单轴压缩蠕变破坏全过程,特别是能够反映加速蠕变。模型以一个统一的表达式即可描述盐岩单轴压缩蠕变全过程的3个阶段,克服了元件组合模型需要分段处理的缺点;同时,该模型表达式非常简单,方便应用。     

层状盐岩温度应力耦合作用蠕变特性研究

在温度应力耦合作用下,通过对层状盐岩蠕变特性试验研究及理论分析发现:(1)层状盐岩的蠕变率与其组分、结构密切相关,盐岩组分、结构不同,蠕变应变、蠕变率均不同.(2)在常温下,随着应力水平的增大,层状盐岩的蠕变应变、蠕变率逐渐增大,层状盐岩的稳态蠕变率与偏应力之间成良好的幂函数关系.(3)在温度和应力耦合作用下,加载应力水平相同时,温度对层状盐岩的稳态蠕变率影响很大,层状盐岩的稳态蠕变率与温度服从指数关系;在同温同压作用下,纯盐岩的横向位移、横向蠕变应变和横向蠕变率都比高盐分泥岩夹层的大,纯盐岩的横向蠕变率是高盐分泥岩夹层的1.6～1.8倍.(4)层状盐岩体各层之间由于组分、结构不同,在应力和温度耦合作用下,蠕变率不同,应变不协调,导致剪切破坏.最后,通过试验数据拟合,建立层状盐岩的稳态蠕变率本构方程,对我国盐岩矿床中建造油气储库及稳定性分析具有一定的参考价值.     

黏性土三轴排水蠕变试验及经验模型研究

人工岛地基通常以深厚的黏性土为主,过大的工后沉降会对人工岛的使用产生不利影响。针对大连人工岛地基黏性土原状样,采用三轴排水蠕变试验对黏性土的蠕变特性进行了研究,分析了轴向应变、体应变、轴向应变速率与蠕变时间及偏应力间的关系。基于蠕变试验结果,耦合Mesri模型与线性方程,建立了可描述土体衰减蠕变与加速蠕变过程的经验模型。研究结果表明,该地区土体具有典型的非线性蠕变特性,随偏应力的增加,非线性蠕变特性愈加明显。在低偏应力作用下,蠕变过程表现出衰减蠕变特性;在破坏偏应力下表现出加速蠕变特性。轴向应变速率随着蠕变时间的增加而减小,随着偏应力的增加而增大,而偏应力对m值(曲线斜率)的影响较小。试验结果与模型计算结果吻合较好,表明新建模型适用于描述该地区黏性土的蠕变特性。     

层状盐岩能源储库泥岩夹层蠕变特性研究

针对目前层状盐岩能源储库围岩中泥岩夹层的蠕变特性问题,结合声发射技术对泥岩夹层的多级阶梯蠕变力学行为进行了研究,并分析了各应力水平下从初始加载到稳定蠕变的损伤特征。结果表明：在低应力水平下,夹层的轴向变形大于横向变形,随着应力的增加,尤其在临近破坏阶段,横向变形现象更加显著,而对应的轴向与横向稳态蠕变率随加载应力的增加均呈现非线性加速;在各应力水平的初始加载阶段,泥岩夹层产生大量AE信号,待蠕变稳定后AE声发射计数信号明显减小,在最后一级应力水平下产生大量的AE信号;利用改进后的分数阶黏弹塑性模型与西原体模型对理论与试验蠕变曲线结果进行拟合对比,拟合结果表明改进后的蠕变方程曲线与试验曲线的演化规律更吻合。     

橄榄岩蠕变特性及本构模型研究

为了研究橄榄岩的蠕变力学特性,对取自中老铁路玉磨线安定隧道的橄榄岩开展常规压缩和不同围压下的蠕变试验。试验结果表明,饱和橄榄岩试件与干燥试件弹性模量的比值和其软化系数较为接近,而饱和试件的泊松比略大于干燥试件;橄榄岩加载后产生的瞬时应变以弹性应变为主,且其存在蠕变启动阈值;当轴向偏应力低于蠕变启动阈值时,橄榄岩仅产生瞬时应变,而无蠕变应变;当轴向偏应力高于蠕变启动阈值时,橄榄岩才会产生蠕变现象;随围压增大,橄榄岩的蠕变启动阈值和加速蠕变阈值有呈线性增大的趋势。在此基础上,根据橄榄岩的蠕变特点,建立一个7元件的非线性黏弹塑性蠕变模型来描述橄榄岩的蠕变行为,并利用蠕变试验结果对模型的合理性进行了验证。结果表明,所建模型能较好地反映该类岩石的蠕变力学行为。     

循环加卸载下煤的黏弹塑性蠕变本构关系研究

 基于岩石三轴循环加卸载蠕变试验,对试样的蠕变应变进行有效的黏弹塑性应变分离,根据试样的弹性蠕变特性和塑性蠕变特性分别建立相应的蠕变模型,继而得到岩石的黏弹塑性蠕变模型,该模型能较好地描述试样的衰减和稳态蠕变特性。为了能够较好地描述岩石加速蠕变特性,在塑性蠕变模型中引入损伤因素,建立相应的弹塑性损伤蠕变模型,对该模型参数进行敏感性分析,同时给出模型参数确定方法。所建模型黏弹塑性概念清晰,模型参数较少。对煤进行三轴循环加卸载蠕变试验,分析蠕变试验中煤样的弹塑性应变特性以及试样的稳态蠕变速率演化规律,用该黏弹塑性蠕变模型对煤样的三轴压缩蠕变试验结果进行拟合,结果表明,该模型能很好地描述循环加卸载路径下试样的弹塑性加载和弹性卸载蠕变特性。     

残余强度阶段大理岩流变特性试验研究

锦屏二级水电站引水隧洞埋深大、地应力水平高,高应力状态下的大理岩具有明显的时效特性,工程部分岩体处于残余强度阶段,其流变特性对围岩长期稳定性具有显著影响。利用三轴压缩全过程试验获得进入残余强度阶段的大理岩试件,以此来模拟工程塑性区岩体,并对残余强度阶段的岩石试件进行不同围压下的三轴蠕变试验,系统研究残余强度阶段大理岩的蠕变特性及其长期强度。试验表明:残余强度阶段的大理岩具有明显的瞬时变形、减速蠕变和稳定蠕变特性;受内部大量破裂网格的影响,残余强度阶段岩体的瞬时应变和蠕变量较完整岩块有很大程度的提高;残余强度阶段大理岩的总蠕变量及蠕变速率均随偏应力的增大而增大;长期强度小于其残余强度且随围压的增大而增大;试件长期抗剪强度不具有黏聚力,内摩擦角较残余内摩擦角有所提高。基于残余强度阶段大理岩的蠕变特性,采用Burgers模型模拟其蠕变过程,并对蠕变参数进行辨识,研究表明:Burgers模型模拟结果与蠕变试验具有很高的吻合度,能很好地反映残余强度阶段大理岩的流变特性;其流变参数中弹性模量EM和黏性系数ηM均随着偏应力的增大而减小,黏弹性剪切模量GK与黏弹性系数ηK随偏应力的增大先增大后减小。     

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。     

三轴压缩下含瓦斯煤样蠕变特性试验研究

 介绍自主研制的含瓦斯煤岩三轴蠕变试验系统。利用三轴蠕变试验系统对含瓦斯煤样进行一系列三轴蠕变试验,得到不同蠕变载荷、不同围压和不同瓦斯压力条件下的蠕变结果。试验结果显示,蠕变载荷、围压和瓦斯压力是影响含瓦斯煤样蠕变特性的重要因素;含瓦斯煤样的蠕变行为可以表现出衰减蠕变和非衰减蠕变2种形态;减速蠕变阶段是弹性后效的结果;稳态蠕变速率受蠕变载荷、围压和瓦斯压力的影响,并且随蠕变载荷和瓦斯压力的增大而增大,随围压的增大而减小;加速蠕变阶段是含瓦斯煤样破坏的开始。基于试验结果,详细分析含瓦斯煤样的减速蠕变和稳态蠕变阶段的蠕变速率,给出能分别描述减速和稳态蠕变阶段蠕变速率的幂函数和指数函数方程。利用规范化方法建立能反映稳态蠕变速率、蠕变载荷、围压和瓦斯压力之间关系的数学方程,利用该方程可以很容易地预测各种应力状态下稳态蠕变速率的大小。     

网纹红土蠕变应变率试验研究

蠕变应变率是判断蠕变变形所处阶段与发展趋势的重要依据。为了研究网纹红土蠕变应变率的变化规律,对网纹红土未扰动土样进行了分别加载条件下的初始加载、卸载、重复加载蠕变试验,并根据试验结果分析了蠕变应变率与蠕变时间、应力水平之间的关系。分析结果表明网纹红土的蠕变应变率随蠕变时间指数衰减;蠕变应变率随时间变化的曲线与蠕变应力水平相关。同时建立了蠕变应变率与蠕变时间、应力水平之间的函数关系式,并给出了求解蠕变应变率与蠕变时间、应力水平函数关系中相关参数的方法,最后还利用求得的参数对网纹红土的蠕变应变率进行了拟合。     

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

 基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC++编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。     

锦屏水电站绿砂岩三轴卸荷流变试验及非线性损伤蠕变本构模型研究

 以锦屏二级水电站引水隧洞绿砂岩为研究对象,采用恒轴压、逐级卸围压的应力路径开展室内流变试验,研究卸荷条件下的轴向及侧向变形特征。成果表明：侧向塑性变形的发展速率明显比轴向快,岩样破坏前在侧向反应要比轴向更为明显。在对流变试验数据进行深入分析基础上,从材料损伤的角度出发,认为岩石流变力学参数随着黏性应变的负指数形式逐步弱化,从而建立起岩石损伤演化方程及变参数非线性Burgers模型。基于Levenberg-Marquardt(LM) 算法,以残差平方和为目标函数,对试验数据开展相应拟合,所获得的参数可较好反映蠕变曲线的非线性特征。经比较,计算曲线与试验点曲线比较接近,说明该流变本构模型能较好的反映出锦屏绿砂岩在卸荷条件下的衰减蠕变阶段和稳定流变特性。     

盐岩蠕变特性温度效应的实验研究

对经历不同温度后的盐岩蠕变特性进行了实验研究,研究了应力水平和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了其稳态蠕变率本构方程。分析结果表明:偏应力和温度对盐岩稳态蠕变率影响较大;稳定蠕变应变率本构方程是作用在盐岩上的应力偏量的幂次函数和能量与温度的指数函数。并从盐岩蠕变模量随蠕变时间的变化规律入手,导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演化方程和用损伤表示的蠕变模量演化方程。     

改进的burgers岩石蠕变模型

基于实测的实验数据分析蠕变曲线的特征,构造出能够表现岩石衰减蠕变和加速蠕变阶段特征的非线性函数,并引入到burgers蠕变本构方程中,得到一个新的非线性蠕变模型,岩石稳定蠕变阶段的非线性渐变过程和加速蠕变阶段蠕变速率的快慢程度可通过调整蠕变参数进行有效地模拟。在较低应力水平时,模型能够有效地刻画岩石的初始蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性。利用该模型对试验数据拟合的结果表明,对蠕变模型计算结果和试验结果的比较,表明该模型能够很好的描述蠕变曲线中的初始衰减蠕变阶段稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,证明了该模型的正确性和合理性。     

向家坝水电站坝基挤压带岩石三轴蠕变试验及非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 基于岩石常规三轴蠕变试验成果,研究向家坝水电站坝基挤压破碎带砂岩蠕变力学特性,分析岩石轴向和侧向蠕变规律。在低应力水平下,岩石仅发生衰减蠕变和稳态蠕变,而且稳态蠕变阶段的应变速率为非零常数,蠕变量不可忽视,岩石变形满足Burgers蠕变模型。当应力达到一定水平时,岩石经过衰减蠕变和稳态蠕变之后发生加速蠕变破坏。不同围压下蠕变破坏特征不同,尤其是加速蠕变启动时间的差别较大,据此提出加速蠕变启动元件。通过将加速蠕变启动元件与Burgers模型串联,建立一个新的岩石六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并从理论上对其蠕变力学特性进行讨论。推导三维应力状态下的岩石蠕变本构模型公式,研究蠕变参数辨识方法。通过与试验曲线的比较,显示所建非线性蠕变模型的正确性与合理性。     

粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性试验研究

 采用RLJW–2000型岩石三轴流变伺服仪,在分级加载条件下完成饱和粉砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,划分岩石的应力松弛阶段,分析岩石的应力松弛特征,研究不同应变水平下岩石的应力松弛速率、径向应变、体积应变以及松弛模量随时间的变化规律,探讨岩石应力–应变等时曲线特征,系统地揭示粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性。选取Burgers模型来描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,采用LM-NLSF法对模型参数进行辨识。对比模型拟合曲线与试验曲线,二者吻合较好,表明Burgers模型可以较好地描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,辨识得出的模型参数具有一定的实用价值。     

不同含水情况下的泥岩蠕变试验及其对油田套损 影响研究

 以大庆泥岩为研究对象,进行不同含水条件下的强度试验和蠕变试验,分析含水量变化对泥岩强度、弹性模量等基本力学参数以及蠕变特性的影响。试验结果表明：含水量的增加,大大降低了泥岩的弹性模量和单轴抗压强度,并使泥岩的蠕变变形和稳态蠕变率显著增加。通过试验得到考虑含水量变化的泥岩蠕变本构方程,并与试验曲线进行对比。以大庆油田南二区某井套损段泥岩层为例,建立数学模型,根据得到的蠕变本构方程,对不同含水条件下井壁泥岩的蠕变挤压应力进行数值模拟,通过对比分析,说明在非均匀挤压应力作用下,泥岩含水量的增加会大大加快蠕变应力的增长速度,使围岩对套管产生的蠕变挤压应力达到极值所需的时间迅速减小,大大缩短套管使用寿命。油田开采过程中,应防止高压注入水进入泥岩,以预防和减少由于泥岩进水发生蠕变导致套管损坏。     

黄土三轴剪切蠕变特性研究

以陕西省杨凌示范区某黄土边坡黄土试样为研究对象,进行了一系列室内三轴剪切蠕变试验,对三轴应力条件下黄土的剪切蠕变特性进行了研究,分析了时间、偏应力水平对应变速率的影响。建立了适合杨凌地区黄土的经验蠕变模型,通过与Burgers模型的比较发现,该经验蠕变模型具有精度高、参数少且获取途径简便的优点,能够很好地描述杨凌地区黄土的应力–应变–时间关系。另外,由试验资料发现三轴应力条件下黏滞系数与偏应力、时间具有密切的关系,并推导出黏滞系数与偏应力、时间的经验公式,并对该经验关系进行了验证。     

重塑粉质黏土的剪切蠕变特性及本构模型研究

通过室内三轴试验,对重塑粉质黏土的剪切蠕变特性进行研究,分析了粉质黏土在不同偏应力水平下和不同偏应力分级方式下的蠕变变形特性。试验表明,粉质黏土的偏应变蠕变变形与对数时间关系具有明显的非线性;在同样的剪切应力水平下,不同的加载分级方式对试样的最终偏应变量有明显的影响,加载分级越多,最终的偏应变量越小。基于试验数据,建立了适合描述重塑粉质黏土蠕变特性的双曲线模型,并对模型参数的物理意义和取值方法进行了讨论。分析表明,模型参数的取值与应力水平及试样的初始孔隙比有关;结合试验结果,给出了粉质黏土剪切蠕变双曲线模型参数取值建议。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。