分级加载条件下红层软岩蠕变特性试验研究

 岩石的蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,很大程度上控制着岩体工程的稳定性。本文采用CSS–44100型电子伺服万能试验机在分级加载条件下对甘肃引洮输水工程7#试验平硐红层软岩进行了一系列单轴压缩蠕变试验。通过对试验数据的整理与分析,发现红层软岩存在显著的蠕变特性,符合伯格斯模型(Burgers model),并求取了不同应力水平下的蠕变参数。通过测定试样含水率,研究含水率对红层软岩强度和蠕变特性的影响。发现含水率越高,抗压强度越低,蠕变量越大,蠕变率也越大,达到稳定的时间也越长。试验结果表明,红层软岩蠕变试验曲线与理论曲线基本吻合,伯格斯模型(Burgers model)能较好的描述红层软岩的蠕变特性。     

软岩非线性蠕变模型研究

以工程实际中广泛应用的元件组合模型为基础,通过引入损伤变量和硬化变量,建立了一个软岩非线性蠕变模型。分析认为,Maxwell体等价于一个线性损伤的虎克弹性体,Kelvin体相当于一个线性硬化的牛顿黏性体,Burgers体则是一个能同时描述线性损伤、硬化的模型。软岩蠕变过程中,其微观结构会发生变化,并导致软岩形变行为产生相应的改变,引入非线性损伤、硬化变量代替Burgers模型中的线性损伤、硬化变量,可以反映这种改变对软岩蠕变的影响。所建立的非线性蠕变模型可以用一个统一的方程描述软岩蠕变过程三个阶段的变形特征。将该模型与试验曲线进行对比,两者吻合较好。     

分级加卸载条件下软弱复杂矿岩蠕变规律研究

采用集众优点于一体的分级增量循环加卸载方式，对金川有色金属公司Ⅲ矿区软弱复杂矿岩进行蠕变试验，试验数据按可恢复的瞬时弹性应变与滞后黏弹性应变，以及不可恢复的瞬时塑性应变与黏塑性应变进行分析，得出软弱复杂矿岩黏弹塑性特性的基本规律。在对试验数据深入分析和对比研究的基础上，将Burgers黏弹蠕变模型与Molar-Coulomb准则相结合，形成新的黏弹塑性模型，以研究复杂条件下软弱岩石的变形特性，并编制改进的Burgers蠕变模型试验数据处理程序，对模型参数进行拟合和加权平均取值。试验结果表明，金川Ⅲ矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合，改进的Burgers蠕变模型能较好的描述岩石的蠕变特性。     

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。     

岩石粘弹塑性本构关系及改进的Burgers蠕变模型

软弱岩石一般具有粘弹塑性共存特性,而典型的Burgers蠕变模型只能描述材料第三期蠕变以前的粘弹性规律,因此,本文基于Mohr-Coulomb准则,提出了新的塑性元件,该元件假定材料屈服后完全服从Mohr-Coulomb塑性流动规律。将该元件与典型的Burgers模型串联,形成了能模拟粘弹塑性偏量特性和弹塑性体积行为的改进型Burgers蠕变模型,推导了相应的粘弹塑性本构关系。给出了模型参数的求解方法,编制了相应的数据处理程序,并结合工程实例,对蠕变模型参数进行了拟合和加权平均取值。应用结果表明:试验曲线与理论计算曲线吻合,改进的Burgers蠕变模型能较好的描述岩石的蠕变特性。     

基于强度分层计算的弱胶结软岩冻结壁变形分析

 弱胶结软岩具有低强度、低冻胀性和高流变性的特点。以平均温度代替冻结温度场径向温度梯度分布以及以冻结壁平均强度参数代替力学参数径向层状分布的传统计算方法不能准确反映弱胶结软岩冻结壁的变形特性。基于幂律蠕变本构模型推导分层计算模型的有限差分形式,并给出分层计算模型在FLAC3D中的实现途径。通过实例计算表明,分层计算结果与实测数据更吻合。根据不同工况下的模拟结果,分析弱胶结软岩冻结凿井井帮最大径向位移点为(0.36～0.42) h,空帮径向变形对掘砌段高较敏感,随着段高的增加,围岩变形显著增加,且沿纵向冻结围岩深部发展。通过容许空帮时间分析,在段高大于4.5 m时,正常冻结凿井作业循环时间内,不能保证工作面施工安全。     

一种新的岩石非线性流变损伤模型研究

传统岩石流变模型由线性元件组合而成,不能很好地描述流变过程中的加速流变阶段,通过分析岩石流变过程中微裂纹的压闭和扩展过程,将损伤力学引入岩石流变模型中,采用Kachanov提出的损伤律,将岩石流变过程分为阶段一（衰减、稳态蠕变阶段）和阶段二（加速蠕变阶段）两个部分,推导了岩石在两阶段中损伤演化方程,通过参数敏感性分析发现应力水平的大小对损伤演化过程有较大影响。结合有效应力观点建立了岩石非线性损伤流变模型,该模型能较好的描述岩石的衰减、稳态和加速流变阶段,同时简要分析了模型的松弛特性。采用该岩石非线性损伤流变模型对泥岩在围压为5 MPa与轴向偏应力水平为43 MPa的蠕变试验结果进行了模拟,验证了损伤流变模型的合理性,保持其他参数不变,更改应力水平的大小,得到不同应力水平下的非线性损伤蠕变模型曲线,与试验结果较为相符,     

有机质对软土流变性质影响的试验研究

采用人工土、自然土、半人工半自然土制备3组有机质含量不同的试样,测试其基本的物理力学特性。采用改进的直剪蠕变仪,用分级加载的试验方法在相同试验条件下对所制备试样的流变性质进行测试,得到各试样在各级荷载下的蠕变曲线,进而求得各试样的平均粘滞系数。对各组试样的粘滞系数进行对比分析,结果表明有机质及其含量是影响软土流变性质的重要因素之一,土体的粘滞系数随有机质含量的增加而减小,即流变变形阻力随有机质含量的增多而减小。试验结果分析认为,有机质通过吸附于土颗粒表面的结合水影响土的流变性质,其中强结合水是土体产生流变的主要因素,而弱结合水则是相对次要因素。文中的试验结果有助于进一步认清土体流变的起因,对改进和完善现有流变变形计算理论有一定指导意义。     

AN ELASTO-VISCOPLASTIC MODEL FOR SOFT SEDIMENTARY ROCK BASED ON TIJ CONCEPT AND SUBLOADING YIELD SURFACE

In this paper, an elasto-viscoplastic constitutive model with strain softening is developed for soft sedimentary rock using a newly proposed evolution equation for subloading yield surface originally invented by Hashiguchi (1980). In the model, associated flow rule is adopted and tij concept, which can take into consideration the influence of intermediate stress on deformation and strength of geomaterials, is used. In the model, as is the same as Cam-clay model, plastic volumetric strain is used as hardening parameter, which is widely accepted by the researchers who specialize in the constitutive model for geomaterials. The application of the model to the experimental results of soft sedimentary rock indicates that the model not only can describe the time dependency, such as strain rate dependency and creep, but also the strain softening behavior of geologic materials. The material parameters involved in the model have clear physical meanings and can be easily determined with triaxial compression tests and creep tests.     

全风化花岗岩流变特性试验研究

全风化花岗岩物理力学性质十分复杂,水稳定性极差,具有明显的软岩流变特征,且具有显著的地区性差异。为掌握贵广线全风化花岗岩的流变特性以便指导工程施工,以东科岭隧道进口全风化花岗岩段为工程背景,现场取样,室内加工成不同含水率的3组试件,进行室内流变试验,采用分级加载,最终得到各试件在不同应力水平下的蠕变曲线。结果表明,各组试件流变特征基本符合Burgus粘弹性模型,加载方法和应力水平对试件的流变参数有影响;随含水率提高试件剪切模量下降,过渡蠕变段变短,蠕变速率加快,中等含水率以下时流变参数变化较小,接近饱和时流变参数变化显著。     

沥青胶砂改进分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型

针对沥青胶砂的蠕变特性,提出了改进分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型,然后分别对不同应力水平下沥青砂的蠕变恢复试验结果和不同温度下沥青玛蹄脂的蠕变试验结果进行拟合分析,确定了相关的模型参数,分析了模型参数的物理意义及其变化规律.在此基础上,提出了相应的沥青胶砂高温性能评价指标.结果表明:改进分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型能够较好地描述沥青胶砂的蠕变特性,并能够反映温度对其蠕变变形的影响,具有较为广泛的适用性.     

软岩热–弹–黏塑性本构模型

在诸多岩土工程如高放核废料处置、地热资源开发等应用中需要考虑软岩的长期力学特性,而温度升高会对软岩材料的蠕变破坏特性产生复杂影响,建立能反映蠕变破坏特性的本构模型具有理论价值和现实意义。从连续介质力学入手,基于下负荷面剑桥模型和等价应力的概念,建立了能描述软岩在温度作用下蠕变过程的热弹黏塑性模型。利用自主开发的仪器,采用大谷石进行了不同围压下的三轴蠕变试验,并对模型进行了验证。多种实验结果表明,材料在不同应力状态下,存在最优温度使得蠕变破坏最慢,此外,受温升影响时存在蠕变破坏加快和减慢两种现象,提出的模型能统一描述这两种现象。分析了模型特性,总结了不同材料参数和应力状态对蠕变规律的影响。     

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。     

建筑用PTFE膜材应力松弛和徐变性能研究

对建筑用PTFE(聚四氟乙烯)膜材进行单轴应力松弛和徐变试验,得到松弛模量和蠕变柔量随时间的变化曲线,然后采用广义线性黏弹性模型、分数阶模型和分指数模型分别进行数值模拟,再比较各模型预测精度.结果表明:各类模型模拟短期的松弛模量和蠕变柔量有较好的精度;随时间增长,广义线性黏弹性模型模拟的松弛模量和蠕变柔量偏离试验值,长期预测精度较差;分数阶模型对长期松弛模量和蠕变柔量预测精度较好;分指数模型可预测长期的经向蠕变柔量,但对长期松弛模量和纬向蠕变柔量的预测精度不高.     

单裂隙砂岩蠕变模型参数时间尺度效应及颗粒流数值模拟研究

深部高应力环境下硬岩的蠕变变形不可忽略,尤其是裂隙岩体的蠕变变形。为研究含裂隙硬岩的长期蠕变变形行为及蠕变模型,采用高速水射流技术在红砂岩试样中预制了一条贯穿的α=45°单裂隙。确定了该裂隙岩石在围压30 MPa下的三轴压缩强度,采用单级加载方式对试样进行长期压缩蠕变试验,蠕变应力水平约为峰值偏应力的80%。试验结果表明:经历539 h(约22 d)的含45°单裂隙红砂岩只出现衰减和稳态蠕变变形,未发生加速蠕变破坏。为描述裂隙岩石的蠕变变形,在Burgers模型基础上基于有效应力原理建立了考虑损伤的蠕变模型。通过最小二乘法得到的蠕变模型参数显示出显著的时间效应,据此提出了考虑时间尺度的损伤蠕变模型,该模型可以描述裂隙岩石在不同时间尺度下的蠕变变形。最后,采用颗粒流程序PFC~(2D)对试样的三轴压缩及蠕变进行了数值模拟,数值计算结果与试验结果吻合程度较高。研究工作为进一步研究裂隙硬岩的蠕变变形和模型提供了一定的参考价值。     

Time-dependent damage constitutive model for the marble in the Jinping II hydropower station in China

To accurately describe the damage creep properties of marble, especially during the acceleration creep phase, creep testing was performed on the marble in the Jinping II hydropower station in China. Based on the experimental results, a time-dependent damage constitutive model was proposed in terms of fractional calculus theory and damage variables to describe these time-dependent damage characteristics. The time-dependent constitutive equations were derived for constant loading levels below and above the marble’s long-term strength. The robustness and parameter sensitivity of the proposed model were analysed by utilizing data of creep testing. The results of the analysis showed that the proposed model could describe not only the attenuation and steady-state creep of marble but also the acceleration creep characteristics and negative exponential attenuation law of the yield strength over time when the constant loading was above the long-term strength. These are crucial to failure prevention during rock engineering construction and operating periods.     

Test on Soft Sedimentary Rock Under Different Loading Paths and its Interpretation

Tests on soft sedimentary rock under conventional triaxial and plane-strain compression and/or creep have been conducted. The purpose of the tests is to investigate the influence of intermediate principal stress that may affect the strength and dilatancy of the soft sedimentary rock under different loading paths. Meanwhile, theoretical simulations by an elasto-viscoplastic constitutive model were also conducted. Influence of membrane and filter paper was investigated using finite element analysis based on the elasto-viscoplastic model. Furthermore, particular attention was paid to the migration of excessive pore water pressure within a specimen, by continuous monitoring of the inner excessive pore water pressure of specimens and calculation with soil-water coupled finite element-finite difference (FE-FD) method. The shear strength, inherent dilatancy and creep behavior of soft rock were explained experimentally and numerically in detail.     

岩盐时效特性实验研究

本文通过对盐岩单轴、三轴的强度与蠕变实验结果的分析,研究了应力状态对盐岩的强度及其时间相关性特征的影响。分析结果表明:盐岩是一种软岩,围压对盐岩力学性质影响较大;初始蠕变极限可以表示成稳态蠕变率的函数。通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了盐岩的蠕变本构方程,结果表明该方程能较好的模拟实验结果。     

浅变质板岩非定常开尔文模型研究

随着岩石蠕变特性在不同含水状态下试验研究的逐步开展,为了实际工程所需,应先提出能合理描述其蠕变规律的本构模型。为了准确描述浅变质板岩的蠕变行为,首先提出了一个新的非定常粘滞体元件,该元件的黏滞系数随时间不断发生变化。然后将该元件替换常规Kelvin模型中的定常粘滞体元件,建立了一种新的非定常Kelvin模型,并推导了模型的蠕变方程。最后基于浅变质板岩试样单轴压缩蠕变试验结果,采用曲线拟合的方法反演了非定常Kelvin模型和常规Kelvin模型的蠕变参数。通过对比试验曲线与拟合曲线发现:在不同应力水平下,相对于常规Kelvin模型,非定常Kelvin模型拟合曲线与试验结果更加吻合,说明该模型能够更好的描述浅变质板岩的蠕变特性,具有更好的适应性。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。