岩石弹黏塑性流变试验和非线性流变模型研究

采用分级增量循环加卸载和单级加载方式,对金川有色金属公司 III 矿区二辉橄榄岩试样进行弹黏塑性流变试验,在对流变试验数据进行深入分析基础上,详细研究该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特性,将衰减蠕变曲线分离为黏弹性分量与黏塑性分量,研究各衰减蠕变变形分量的非线性特征,建立定常流动速率及加速蠕变率的应力、时间的拟合函数.根据不同应力水平下的加、卸载蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、黏塑性改进Bingham体串联而成的新的岩石非线性弹黏塑性流变模型,对模型参数辩识,提出非线性元件参数的确定方法.该流变模型具有两个屈服极限且流变元件参数是关于应力和时间的拟合函数,考虑了衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段的非线性特征,能反映不同应力水平下岩石流变规律,尤其能较合理地模拟岩石加速蠕变,从理论上给出非线性弹黏塑性流变模型的松驰方程和三维蠕变方程.利用不同应力水平下岩石蠕变全程试验曲线,对提出的非线性弹黏塑性流变模型进行充分验证.试验曲线与非线性流变模型理论曲线较吻合,显示所建非线性弹黏塑性流变模型的正确性与合理性.     

用统一流变力学模型理论辨识流变模型的 方法和实例

 M. Reiner用弹簧、摩擦片和黏壶这3个元件分别模拟岩石的弹性、塑性和黏性,且用其并联组合可组成7个不同的模型。其中与黏壶并联的有4个(包括黏壶本身),称为基本流变力学模型,对应于与时间有关的4种基本流变力学性态。用这4个基本流变力学模型进行串联组合,可以形成15个流变力学模型(包括4个基本流变力学模型和11个复合流变力学模型)。将包含全部4种基本流变力学性态的模型称为统一流变模型,它包括了其他14个模型,也即其他14个模型都是统一流变模型的特例。根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变曲线的特性,可以全面地辨识出与15种流变力学性态相对应的15个流变力学模型,且15个流变力学模型与15种流变力学性态是一一对应的关系,对模型的辨识具有惟一性。虽然,在其他文献中有一些模型与这15个模型有差异,但可以通过等效变换转化成为这15个模型之一。根据所提出的统一流变力学模型及其性质,详细论述了用不同应力水平下的加卸载蠕变试验结果辨识与岩石流变性态对应的流变力学模型的方法,并采用2种岩石的相应蠕变试验结果,给出了辨识其流变力学模型的例子。     

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。     

高围压炭质板岩流变力学试验与硬化损伤模型研究

为了研究炭质板岩在高围压条件下的流变力学特性,进行了不同围压条件下的炭质板岩加卸载流变试验,试验结果表明,炭质板岩存在明显的流变下限,约为抗压强度应力水平的50%~60%,低于流变下限时仅有瞬时弹性应变和不可恢复的压密应变,其中压密应变在应力水平较低时已经趋于稳定值,应力水平为抗压强度的60%~70%时仅出现衰减蠕变或等速蠕变,应力水平超过抗压强度80%时才发生加速蠕变。根据传统强度理论,建立了包含压密应变、硬化塑性应变和损伤塑性应变的蠕变模型,对各阶段模型参数进行辨识,依据稳定蠕变阶段参数辨识结果拟定加速蠕变阶段部分参数的合理初始值,达到了较好的拟合度,表明模型对于反映高围压炭质板岩流变特性具有较好的适用性。     

岩石黏弹塑性损伤蠕变模型研究

岩石蠕变力学采用在经典元件模型基础上引入非线性元件和蠕变损伤的方法,来解决经典元件模型不能描述岩石整个蠕变过程中的非线性特征问题。首先分析这类方法在模型参数辨识、损伤蠕变方程建立和屈服条件选择等方面的不严谨之处,然后根据非线性流变理论以及损伤理论采用和构建弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏塑性体,并将四者串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、黏性应变和非线性黏塑性应变的损伤蠕变模型。推导岩石在恒应力情况下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到损伤蠕变方程,结合蠕变曲线特征给出简单可行的模型参数辨识方法。最后采用砂岩分级加载单、三轴压缩蠕变试验曲线与理论曲线和预测曲线进行对比来验证模型的适用性。结果表明两者吻合程度较高,黏弹塑性损伤蠕变模型不仅可以精确反映衰减、等速阶段蠕变曲线的非线性特征,而且能够描述岩石在高应力状态下的加速蠕变特征,其适用性得到验证。     

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律.通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能.在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型.在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型.     

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。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

非定常西原黏弹塑性流变模型的应用研究

 在西原模型的基础上,引入非线性Bingham黏塑性元件与Kelvin元件,建立能完整反映蠕变全过程的非定常西原黏弹塑性流变模型。当岩石处于高应力状态时,其黏塑性流变参数随时间呈非线性变化。根据ABAQUS的UMAT格式要求以及非定常西原黏弹塑性流变模型的平面应变(应力)有限元理论,编制相应的黏弹塑性流变模型程序。数值试验结果表明,所建立的非线性黏弹塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下岩石的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石边坡进行流变数值分析,在较大堆载下,边坡顶点进入加速蠕变阶段,达到破坏状态;中点和底点处于低应力状态,为黏弹性阶段,位移趋于稳定。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。     

干燥与饱水状态下炭质板岩蠕变特性研究

采用分级增量循环加卸载方式,对兰渝铁路木寨岭二期隧道炭质板岩进行干燥与饱水状态下的蠕变试验。结果表明:无论干燥状态还是饱水状态,在各种应力水平作用下,岩石试件均产生了可恢复的瞬时弹性应变、不可恢复的瞬时塑性应变、可恢复的粘弹性应变以及不可恢复的粘塑性应变;水对岩石瞬时变形的影响主要表现在瞬时塑性应变方面,对瞬时弹性变形的影响不大;在蠕变变形方面,水对岩石黏弹性影响显著,对粘塑性应变的影响较小。根据岩石蠕变特点,选用Burgers模型描述炭质板岩流变特性,蠕变试验曲线与理论曲线吻合较好。     

河道淤泥气泡混合轻质土剪切流变特性及模型

利用剪切流变试验对以水泥为固化剂的河道淤泥气泡混合轻质土的流变特性进行了试验研究。试验结果表明,经固化处理的河道淤泥气泡混合轻质土在荷载作用下具有类似于硬粘性土的流变特征。剪切流变可以分为3个阶段:在剪应力水平较低时,剪切流变曲线呈衰减稳定型;随着剪应力水平的提高,剪切流变曲线呈非稳定的等速型;当剪应力水平增大到一定程度时,剪切流变曲线呈加速型。河道淤泥气泡混合轻质土的流变性随着混合轻质土强度的提高而降低。根据试验所呈现的剪切流变规律,可以发现河道淤泥气泡混合轻质土的剪切流变符合七元件黏弹塑性剪切流变模型,模型能够比较好地描述河道淤泥混合轻质土在各种剪应力水平下的衰减、等速以及加速流变过程。     

水泥土流变特性的试验研究

利用土体流变试验机对温州地区水泥土进行了流变试验,研究结果显示:水泥土具有较强的流变性,水泥土的流变特性随轴向应力水平的增大而加剧;同一围压下,轴向应力水平越大,应变速率也越大;水泥土的瞬时变形非常显著;随着围压的增大,流变变形有减小的趋势,围压对水泥土的流变变形起限制作用。水泥土的流变特性可以采用经验模型和三维Burgers模型进行描述。对水泥土的电镜照片进行分析,发现水泥土内部存在着许多裂纹、孔隙等初始损伤。随着应力水平提高,水泥土体内部出现新的损伤;应力水平越大,持续时间越长,损伤积累越多,因此水泥土流变特性随应力和时间增加而加剧,稳态速率增加。     

拉,压状态下玻璃流变模型的比较

人们通常假定玻璃在拉伸和压缩状态下的流变模型是相同的。本文采用国产的RJY-1型热机械检测仪,在335℃～680℃范围内测定了玻璃棒在压缩状态下的流变模型;同时还在350℃～680℃范围内测定了玻璃丝在拉伸状态下的流变模型。实验结果表明:玻璃在拉伸和压缩状态下的流变模型存在差异。因此,假定玻璃在拉、压状态下的流变模型相同是不合理的。     

黏土的一维非平行等效时间线流变模型

在连续介质流变理论框架内研究了等效时间与流变速率之间的内在关系。当软土的流变速率仅取决于应力和应变量时,在相同应力和应变状态下简单加荷历史的黏土流变速率等于复杂加荷历史的流变速率,故根据简单加荷历史反算而得的黏土流变速率可用于复杂加荷历史的建模工作,在简单加荷历史下反算黏土流变速率所用的持续时间即是等效时间,在简单加荷历史簇中相同等效时间的应力应变关系线即为等效时间线。根据上述建模思路,获得了软土等效时间线不平行时流变速率与等效时间之间的关系, 建立了等效时间线不平行时黏土的一维流变模型,该流变模型可退化     

沥青的流变特性及其与路面性能的关系介绍

介绍了沥青组成对沥青流变特性的影响、沥青的流变模型、流变性的测定方法,研究了流变特性与路面性能的关系及沥青混合料的流变性能与环境的关系,指出在使用沥青前要把沥青的基本指标弄清楚才能让沥青更好的发挥作用。     

应用流变特性研究压力灌浆施工

运用流变学机理,分析了新拌灌浆料混合物的流变特性,湿混物在泵管中的流动规律。对于压力灌浆条件下,分析了沿管道内壁流动的摩擦阻力与流变梯度以及灌浆料粘度之间的规律,指出了影响压力灌浆的主要因素。     

黄土的流变特性分析

为了探讨黄土的流变特性,对西安地区的原状黄土进行了三组室内流变特性试验,第1组四个试样进行的是分别加载蠕变试验,第2组二个试样进行的是分级加载试验,第3组二个试样进行的是加载-卸载-再加载蠕变试验.试验发现:(1)在侧限状态下,黄土蠕变过程中的变形由瞬时弹性变形、瞬时塑性变形、粘性变形和粘性流动变形组成;(2)黄土试样...     

节理岩体黏弹塑性流变破坏模型研究

 针对岩块与节理面的黏弹塑性流变破坏模型问题开展研究。首先提出流变瞬时强度概念,以此为基础建立岩石和节理面的非线性黏塑性流变破坏模型的一般形式,并以岩石单轴压缩蠕变破坏试验为例,分析模型描述黏塑性变形破坏的特点。然后,建立岩石完整的黏弹塑性流变破坏模型,分析其描述蠕变和松弛的特性;研究参数 对于调节岩石流变破坏过程的作用,显示模型模拟脆性–延性流变破坏的特点。与大理岩单轴压缩蠕变破坏试验进行对比,结果表明提出的模型与试验结果吻合很好,可以很好地反映岩石蠕变破坏过程。进一步对节理面的黏弹塑性流变破坏模型进行讨论,并与灌水泥浆大理岩节理的剪切蠕变试验对比,结果表明模型也能很好地反映节理面蠕变破坏特点。最后,将建立的流变破坏模型应用于大岗山引水隧洞的流变破坏分析,确定其流变破坏过程和流变破坏时间,可为进一步喷锚支护设计提供依据。针对岩石和节理面所建立的黏弹塑性流变破坏模型概念明确,能正确模拟岩石和节理面的流变破坏过程和判断破坏时间,且参数为常规试验所得,将具有良好的应用前景。     

岩石锚固界面剪切流变试验及模型研究

 大量的试验和工程实践表明：锚固系统的失效多是发生在岩土体和注浆体的锚固界面上。为此开展锚固系统界面力学特性的剪切流变试验,以研究注浆体与岩石交界面的受力机制以及锚杆锚固力在界面剪切流变过程中的变化特征。通过试验表明：在剪切面方向,随着时间的增长,同级剪应力荷载水平下剪切变形有所增加;当剪切应力水平较低时,试样剪切流变表现出初期和稳态流变,当剪切应力值超过某一界限时,剪切流变还表现出加速流变破坏阶段;随着流变时间的增加,锚杆轴向应变值有一定的增加,锚固力呈现缓慢回升的趋势;在此基础上,提出一种基于经验的非线性剪切流变模型,该模型特别考虑法向应力对剪切流变的影响,并将流变模型参数定义成剪应力水平的函数,从而能很好地描述剪切流变的初期、稳态和加速流变整个过程;为进一步验证锚固界面本构模型的正确性,采用此界面流变模型对试样3进行数值仿真的剪切流变试验51 h,计算结果与试验数据非常接近,表明采用此模型是合理而有效的。