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.     

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。     

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。     

辉绿岩非线性流变模型及蠕变加载历史的处理方法研究

 分级加载的流变试验方法采用单个岩样进行试验,可避免岩样离散性对流变变形的影响,但后级载荷的变形量包含前面各级载荷产生的蠕变变形,很容易引起混淆。详细分析流变介质对加载历史的记忆效应,并给出考虑加载历史的蠕变数据处理的具体步骤和数学依据。同时,对大岗山水电站坝基辉绿岩三轴流变试验曲线进行整理,分析其典型的流变特性。根据不同应力水平下的蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、非线性黏塑性体串联而成的岩石非线性黏弹塑性流变模型。该流变模型通过引入非线性黏塑性体可以描述岩石流变的减速、等速特别是加速蠕变阶段。推导非线性黏弹塑性模型的三维蠕变方程,利用不同应力水平下岩石蠕变试验曲线,对流变参数进行反演。结果表明,非线性流变模型计算曲线与试验曲线较吻合,证实所建模型的正确性与合理性。     

基于统计损伤原理的岩石加速蠕变模型研究

针对现有蠕变理论模型无法较好地描述岩石黏塑性阶段的加速蠕变特性及如何确定岩石加速蠕变阶段的启动条件等问题,对取自阜新恒大煤矿深部围岩开展了室内三轴蠕变试验,分析了岩石在蠕变变形规律。为了使建立的模型不仅较好地描述岩石蠕变特性,也可以较好与经典蠕变曲线各阶段相对应,通过经典的蠕变变形示意定义了各个分段临界点的指标,进而建立了一种考虑加速蠕变变形的新型岩石黏弹塑性蠕变模型。结果表明:在考虑岩土类内部缺陷发育的基础上,采用统计损伤理论来构建岩石加速蠕变模型,使得试验曲线也与模型曲线具有良好的吻合度,说明了基于统计损伤原理建立的岩石加速蠕变模型,来反映岩石蠕变全过程曲线是正确的;这也证明了采用统计损伤变量和经典蠕变曲线定义的临界点指标的正确性。岩石蠕变加载过程也是一种岩石内部微元体损伤破坏的过程,在材料微观结构上表现为不可逆性。通过将蠕变曲线分阶段,来定义分段临界点的损伤变量的表达形式,结合统计损伤理论和Perzyna黏塑性模型,对传统的西原体模型进行适当的改进,建立非线性蠕变损伤模型,从而更好地体现了损伤受岩石内部应力应变状态影响和损伤演化规律。     

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。     

岩石非线性蠕变损伤模型的研究

在非线性黏弹塑性流变模型的基础上,根据时效损伤和损伤加速门槛值的特点,建立了非线性蠕变损伤模型,并通过对锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞板岩剪切流变试验验证了模型的正确性。研究表明,这种非线性蠕变损伤模型,不但能很好地反映岩石蠕变全过程,而且,也能合理地描述不同应力下板岩的初始蠕变损伤、稳态蠕变损伤和加速蠕变损伤。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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,     

挠曲核部破碎带岩石力学特性的试验研究

立煤湾膝状挠曲核部破碎带横穿向家坝水电站大坝坝基,破碎带的岩石由于完整性差,孔隙率大,含水率较高,会对坝基的变形和稳定性产生影响。通过研究破碎带岩石的物理和力学特性,发现破碎带岩石的碎裂岩、碎屑岩在三轴压缩条件下呈现非线性的应力应变关系,强度低、变形大,且没有明显的强度峰值,最终因变形过大而破坏;试验过程中,还发现随着岩石的屈服和变形的发展,出现明显的体积膨胀。并且通过破碎带岩石的流变力学试验,发现岩石流变特征明显,偏应力对流变速率有较大影响。最后根据常规三轴试验的应力应变关系建立了基于双曲线模型的改进Burgers模型,并对其参数进行辨识。     

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。     

循环荷载作用下岩石疲劳本构模型初探

为研究循环荷载作用下岩石的疲劳本构模型,提出了3个疲劳基本元件:弹性疲劳元件(HF)、黏性疲劳元件(NF)和塑性疲劳元件(YF)。通过疲劳基本元件的组合建立了稳定疲劳模型(广义开尔文与伯格斯疲劳模型)与不稳定疲劳模型(非线性黏弹塑性疲劳模型);当且仅当n1时,非线性黏弹塑性疲劳模型才可完整模拟岩石的减速疲劳、等速疲劳和加速疲劳3个阶段。研究结果表明:非线性黏弹塑性疲劳模型可较好的模拟岩石的疲劳变形规律;若疲劳变形规律具有明显的减速、等速及加速阶段,则加速疲劳参数n将随岩石单轴抗压强度增大而减小。根据研究结果提出用临界应力比而非临界应力设计疲劳试验的参数,可能更为合理。     

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。     

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.