混合花岗岩蠕变特性研究

岩石流变性是岩石重要力学特性之一.利用Instron-1342伺服刚性材料试验机,采用单体分级加载对混合花岗岩进行了单轴压缩蠕变试验,获得了混合花岗岩的蠕变曲线,并对其力学规律进行了分析,在此基础上确定了混合花岗岩的长期强度.采用伯格斯模型描述了混合花岗岩的弹性性质,并确定相应的流变力学参数.     

充填膏体蠕变损伤模型研究

为研究充填膏体的蠕变特性,对以水泥、粉煤灰、煤矸石制备的充填膏体试件进行分级加载蠕变试验,试验结果表明,充填膏体具有较大的瞬时弹性变形,变形值随应力水平的提高而增加;蠕变阶段表现为明显的减速蠕变阶段和等速蠕变阶段,蠕变变形随应力水平的提高而增加。根据实验结果,确定用Burgers模型描述充填膏体的蠕变过程,并采用一种新的损伤模型的建立方法,推导出基于Burgers模型的蠕变损伤方程,建立蠕变损伤模型。使用Origin软件对试验结果进行拟合以确定模型参数,结果表明,建立的模型曲线与试验结果吻合良好,该蠕变损伤模型能够较好反映考虑损伤的充填膏体的蠕变特性。     

基于改进的Poyting-Thomson蠕变损伤模型研究

针对原Poyting-Thomson模型不能很好地反映软岩受载蠕变过程中的加速蠕变阶段问题,在原Poyting-Thomson模型的基础上,串联了一个非线性元件,依据能量损伤理论中弹性模量的变化定义损伤变量,构建了一个在软岩受载时,能描述软岩全蠕变变形特征的新蠕变模型,并通过对砂岩的单轴压缩实验来验证构建出的模型的合理性。研究表明,以砂岩试件蠕变时间35 h为分界点,35 h前实验蠕变曲线处于衰减与等速蠕变阶段,35 h后实验蠕变曲线处于加速蠕变阶段,采用ORIGIN绘图软件分别对2个阶段进行模型函数拟合,得出了拟合曲线能够较好地吻合实验蠕变曲线,函数拟合精度高,证明了该模型的合理性。     

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。     

岩石蠕变损伤模型及其稳定性分析

采用微分方程描述方法,建立了单轴和三轴情况下岩石全程应力应变过程中的非线性蠕变损伤模型,分析了岩石的蠕变损伤过程和对应阶段的稳定性,讨论了蠕变损伤过程中模型参数的变化规律及其对应的稳定性.第1阶段蠕变对应系统状态是稳定的;第2阶段是随遇平衡;第3阶段是非稳定的,在外界扰动下会失稳.利用软岩在第3阶段蠕变损伤的对应加速蠕变特性,编写有限元程序模拟岩石的损伤过程,可为预测、预报系统的失稳现象提供理论依据.     

考虑初期损伤的岩石蠕变模型

为了描述岩石稳定蠕变阶段的非线性特征,现基于Kachanov提出的损伤律推导了损伤变量在衰减、等速蠕变阶段随时间的演化方程,然后根据Lemaitre应变等效原理得到了有效应力随蠕变时间、初始损伤变量和最小损伤变量的变化关系,再将有效应力代替广义开尔文蠕变模型中的Caucy应力,从而建立了考虑初期损伤的广义开尔文蠕变模型。根据泊江海子煤矿砂质泥岩的三轴压缩蠕变试验数据对广义开尔文蠕变损伤模型进行辨识。辨识结果表明:考虑初期损伤的广义开尔文模型理论曲线和试验曲线吻合度非常高,对衰减和等速阶段的描述效果远好于传统广义开尔文模型。     

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。     

花岗岩损伤型黏弹性动态本构模型研究

采用恒应变率SHPB实验装置对花岗岩的动态力学性能进行测试。 结果表明:花岗岩动 态应力-应变曲线在初始加载段呈线弹性,屈服后具有显著的塑性变形特征,屈服应力、峰值应力 和弹性模量均具有应变率相关性。 基于花岗岩动态力学特性,将朱-王-唐(ZWT)模型本构方程 推广到花岗岩材料并对其进行简化,同时考虑冲击荷载作用下损伤对花岗岩动态强度的影响,引 入应变率型损伤演化方程,建立简明的损伤型ZWT动态本构模型。 应用建立的动态本构模型对 SHPB实验测得的应力-应变曲线进行拟合,两者具有较好的一致性,表明构建的动态本构模型 能够较好地反映花岗岩在动载作用下的力学特性。     

轴向荷载下岩石剪切破坏时效损伤蠕变模型研究

岩石蠕变滑移失稳是诱发断裂滑移型岩爆的主要原因之一,为了揭示岩石蠕变失稳过程的力学响应特征,文中通过理论分析和试验研究,分析了岩石剪切滑移失稳过程的蠕变增长模式和力学响应特征,建立了轴向荷载作用下的岩石剪切破坏时效损伤蠕变模型。研究结果表明:该模型可以很好地描述岩石剪切滑移失稳过程的蠕变演化特征,也能够表征岩石不同蠕变演化阶段的力学响应差异;在轴向荷载作用下,岩石剪切滑移失稳过程具有明显的阶段化特征,存在典型的减速蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段;岩石蠕变增长速率受弹性模量和黏性系数等影响,也受时效损伤效应影响,尤其对于加速蠕变阶段影响显著,这是造成岩石非线性加速蠕变失稳的原因之一。     

尾砂胶结充填体蠕变试验及统计损伤模型研究

为研究充填体蠕变力学特征,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行分级加载条件下的单轴压缩蠕变试验。试验结果表明：荷载越高充填体变形越快,充填体内部缺陷及弱面的压密与扩展在宏观上表现为充填体蠕变变形。假定充填体微元破坏概率与轴向应变存在关系,服从Weibull统计分布,结合充填体单轴抗压试验,确定了可以描述充填体损伤演化过程的损伤变量。将损伤变量引入Burgers模型中,建立了充填体蠕变统计损伤本构模型,采用MATLAB软件对充填体分级加载蠕变试验数据进行拟合,确定模型参数,结果表明：所建立的模型曲线与试验曲线较为吻合,应力水平越高,拟合结果精度越高,此模型可用于描述充填体蠕变力学行为。     

花岗岩冲击力学特性及损伤演化模型

使用分离式霍普金森压杆(SHPB)对花岗岩进行不同应力波波长(0.8~2.0 m)和不同应变率(20~120 s-1)组合下的冲击试验,对其动态力学特性和损伤演化规律进行了研究。试验得出:花岗岩的动态抗压强度与应变率呈线性正相关,动态抗压强度因子与应变率的自然对数呈线性正相关;峰值应变与应变率呈线性正相关,且波长的增加使峰值应变水平整体抬升。通过多次冲击试验得出:在同一波长下,花岗岩的累积损伤随着应变率的增长呈指数型递增形式;当保持应变率范围不变的情况下,增大应力波波长,花岗岩的损伤累积效应加剧,依然呈指数型递增形式;在多次冲击作用下,花岗岩损伤整体发展趋势相似,但增长速率加快;并由此建立以指数函数为基础的损伤演化模型,确定出模型中参数物理意义,该模型能够同时能反映应力波参数和冲击次数影响。通过验证表明模型的合理性及参数物理意义的正确性。     

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。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

基于硬化和损伤效应的岩石非线性蠕变模型

岩石的蠕变过程是岩石内部应力不断调整,硬化和损伤效应不断发展并共同作用的结果。借鉴经典元件模型的建模思路,将岩石的初始屈服强度作为蠕变硬化的应力阈值,岩石的长期强度作为损伤软化的应力阈值,引入能反映岩石硬化效应的硬化函数和损伤效应的损伤变量,建立能够全面反映蠕变机制的岩石非线性蠕变模型。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不仅能够很好地描述蠕变全过程,而且可以全面反映岩石蠕变过程中的蠕变硬化和损伤软化机制。     

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。     

考虑频率影响的盐岩变参数蠕变损伤模型

基于低频三轴循环加卸载试验得到盐岩轴向初始衰减和稳态蠕变变形规律,以及卸载模量随着循环周次的增加呈现负指数型弱化趋势。以弹性模量的折减表征循环荷载下盐岩损伤劣化,考虑损伤因子的频率和时间效应,得到统一损伤演化方程,建立考虑频率影响的变参数Burgers蠕变损伤模型。对比分析表明,该模型能够准确描述不同频率循环荷载作用下盐岩蠕变变形特征和损伤演化过程,为盐岩地下储气库注采运营稳定性分析提供更为合理的分析模型和力学参数。     

裂隙岩体蠕变断裂损伤本构模型的开发与应用

为了研究在长期应力作用下,因岩体内部裂隙的开裂和扩展,而造成岩体的损伤,将蠕变裂隙岩体视为损伤的连续介质,通过分析蠕变裂纹的扩展演化,将初始裂隙的损伤张量、裂纹起裂和扩展的损伤张量、蠕变裂纹扩展的损伤张量相累加,描述岩体的蠕变损伤演化过程。将累加后的损伤张量引入到本构模型中,利用C++编译,开发出可模拟蠕变裂纹扩展的自定义本构模型动态链接库(DLL)。以某矿8106工作面为工程背景,利用该模型对停采线煤柱进行模拟,分析在不同时间段的损伤区和应力演化规律。结果表明:新的本构模型可以用于分析蠕变条件下裂隙损伤演化过程的规律;在考虑蠕变裂纹扩展的情况下,8106工作面的90 m宽保护煤柱可以满足安全生产要求。     

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。     

不同浸润时间和应力水平下煤(岩)蠕变损伤模型研究

以煤(岩)为研究对象,开展水体浸润试验、电镜扫描试验、含水率试验、单轴压缩试验及分别加载蠕变试验,系统研究了应力水平和浸润时间对煤(岩)蠕变特性的影响;定义了基于宏观基准量的浸润损伤变量、基于蠕变时效性的应力损伤变量及耦合作用下的总损伤变量,表述了浸润-应力耦合效应对总损伤变量的影响规律;将总损伤变量引入流变基本元件中,将虎克体、凯尔文体、牛顿体及带有开关元件的损伤体串联描述煤(岩)蠕变全过程,建立了考虑浸润-应力耦合作用下煤(岩)非线性蠕变损伤本构模型,分析了浸润时间和应力水平对煤(岩)蠕变参数的影响规律。结果表明：煤(岩)总损伤演化途径反映了细观力学响应与宏观变形破坏特征的一致性,刻画出浸润与应力2种作用因素对煤(岩)总损伤扩展的非线性影响特征,为揭示浸水煤柱失稳破坏机制提供理论依据。