真实水环境下红层软岩蠕变模型辨识 与参数确定

采用轴压水压联合作用岩石流变试验系统进行了滇中地区红层软岩室内压缩蠕变试验。研究结果表明:真实水环境下红层软岩在破裂应力水平之前具有黏弹性特征,在破裂应力水平下表现出非线性黏弹塑性特征;Ｂｕｒｇｅｒｓ模型和非线性黏弹塑性模型可以准确地描述软岩在真实水环境下三个蠕变阶段的力学特性,模型拟合效果较好;蠕变参数随加载应力不断变化反映出岩石内部损伤不断加剧、累积,力学性能不断劣化的演变过程。     

砂岩分级加卸载蠕变特性试验研究

为了研究砂岩的蠕变力学特性,采用RLW-2000型流变试验机进行三轴分级加卸载蠕变试验。通过黏弹塑性应变分离的方法,得到砂岩在不同偏应力水平下的瞬时弹性、瞬时塑性、黏弹性和黏塑性应变,并对黏弹塑性应变及弹性模量的变化规律进行探讨。试验结果表明:岩石蠕变为黏弹塑性变形过程,加载过程中表现有瞬时变形、衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,卸载过程中表现出瞬时及滞后变形恢复现象;岩石初始蠕变速率与稳态蠕变速率比较可达2个数量级的差异,均随偏应力水平的提升而递增;岩石等时偏应力-应变关系表现出明显的非线性特征,曲线逐渐偏于应变轴,岩石蠕变变形同时具有线性和非线性特征。研究成果可为地下工程的长期稳定性研究提供一定参考。     

朱集煤矿泥岩的流变试验与本构模型研究

巷道等地下工程围岩的蠕变极大地影响着工程的稳定性,正确认识岩石的流变特性可以使岩土工程的设计、施工和运行更加安全可靠。以朱集煤矿泥岩为研究对象,采用分级加载方式,进行单轴弹黏塑性流变试验,借助Origin软件对流变试验数据进行深入分析,研究该岩样各级荷载作用下的轴向蠕变规律,并分别采用线性的Burgers模型和七元件非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)对轴向蠕变曲线进行拟合,确定流变模型的力学参数。将拟合曲线与试验曲线对比分析,结果表明:应力水平较低时,2种模型均能较好地反映蠕变过程;当应力达到长期强度后,七元件非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)能较好地反映泥岩岩样流变的3个阶段,而Burgers模型偏差较大。     

分级加卸载下砂岩蠕变试验及模型研究

采用分级加卸载方式,利用五联流变实验系统对陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司砂岩进行单轴蠕变试验。针对岩石蠕变的衰减、稳定和加速三阶段特征,将Burgers模型中串联的牛顿体的黏滞系数修正为与应力、时间相关的函数,考虑损伤在蠕变过程中的影响,基于损伤理论和Lemaitre应变等价性假说,建立损伤体模型。将Hooke体、Kelvin模型、修正牛顿体和损伤体四者串联组成一个新的非线性损伤蠕变模型,推导新模型的本构方程和蠕变方程,该模型以一个统一的函数描述岩石在不同应力水平下的蠕变曲线。基于单轴蠕变试验结果,对模型参数进行辨识和敏感性分析,将新模型与试验蠕变曲线对比。结果表明:模型能很好地拟合岩石蠕变,模型无须采用分段函数即可描述砂岩蠕变的全过程,弥补了Burgers模型无法描述加速蠕变的不足,从而验证新模型的合理性。     

考虑含水损伤的Q2黄土非线性蠕变模型研究

对Q2黄土进行不同含水状态下的三轴蠕变试验,结果表明,随着含水率的增高,Q2黄土的流变性能增强。根据试验曲线形态特征,选用一个广义Kelvin模型串联一个非线性黏塑元件组成非线性黏弹塑性模型(改进的西原模型)。应用改进的西原模型对试验数据进行拟合求参,结果显示瞬时变形模量EH、黏弹性变形模量EK、黏弹性黏滞系数ηK随含水率增加呈指数形式递减。引入含水损伤变量D(ω),计算得出各蠕变参数含水损伤演化方程,进而建立考虑含水损伤的非线性蠕变模型。应用试验数据对其进行验证,证明考虑含水损伤的非线性蠕变模型能够有效的描述Q2黄土的整体流变特征。     

一种新的岩石黏弹塑性流变模型

根据岩石流变力学特性,提出了一个能描述岩石加速流变阶段的黏塑性流变模型。然后,将这个岩石黏塑性流变模型与5元件黏弹性剪切流变模型串联起来,构成了一种新的岩石黏弹塑性流变模型。利用花岗岩剪切流变试验曲线对该岩石黏弹塑性流变模型进行辨识,获得了模型的流变参数。将岩石黏弹塑性流变模型拟合结果与剪切流变试验结果进行比较,结果表明岩石黏弹塑性流变模型能够较好地描述岩石的加速流变特性。     

周期荷载下岩石分数阶黏弹塑性本构模型研究

为研究周期荷载下岩石疲劳变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换西原模型黏塑性体中的一般黏壶,并在西原模型中串联一个黏性元件,分别建立了可描述周期荷载下岩石变形规律的一维和三维分数阶黏弹塑性本构模型。在高动应力状态下,模型为反映岩石减速、等速、加速3个变形阶段变形规律的岩石分数阶黏弹塑性疲劳本构模型;反之,则为反映岩石减速、加速变形规律的Burgers模型。对既有的岩石疲劳试验结果拟合表明:基于分数阶黏弹塑性模型所建立的岩石疲劳本构方程可较好地描述周期荷载下岩石各种变形特征,拟合系数在0.96以上。研究成果可丰富岩石力学理论,为相关研究提供参考。     

延安Q2黄土三轴蠕变特性试验研究

对延安地区Q₂黄土进行了三轴蠕变试验,通过试验得到了延安Q₂黄土不同含水率及不同围压条件下应变-时间曲线和应力应变等时曲线。经过曲线分析发现,应力水平、围压及含水率对延安Q₂黄土的蠕变特性具有较大影响,且当应力水平高于试样的屈服应力时,Q₂黄土表现出显著的非线性蠕变特性。根据蠕变试验结果及模型原理,利用类比法建立了三维应力状态下的黏弹塑性蠕变模型。在此基础上,建立了考虑瞬时损伤的黄土蠕变本构模型,并运用拟牛顿法对模型中的各项参数进行拟合,结果表明：该本构模型适用于延安地区Q₂黄土的蠕变研究,同时,期望该研究成果能为黄土高原其他地区岩土工程设计提供理论及实践意义。     

基于能耗理论的岩石三维蠕变本构模型及临界分段

目前对岩石加速蠕变阶段的启动判定仍是一个难点。为了反映岩石蠕变全过程,基于能量耗散理论,结合蠕变速率特征,以耗散率值作为蠕变三阶段的控制阈值,对蠕变阶段进行临界分段。引入Perzyna黏弹塑性理论,应用到Cvisc元件模型中,建立一种新的加速蠕变启动判定方式的蠕变本构模型,并将其拓展为三维情形。开展砂岩三轴压缩蠕变试验,分析蠕变速率变化特征,研究等时应力-应变关系,提取模型临界分段参数。引用相关文献中泥岩和冻结软岩蠕变试验数据,通过所建模型对3种岩石蠕变试验数据进行辨识,对比试验曲线和预测曲线,验证所建模型描述岩石加速蠕变阶段的优越性,充分显示出所建模型表征蠕变力学行为的合理性和适用性。研究成果为岩石蠕变阶段的划分及力学行为的模拟提供一种新思路。     

基于分数阶微积分的岩石蠕变损伤本构模型

为了反映岩石蠕变特性,采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机进行砂岩三轴压缩蠕变试验,基于岩石蠕变的阶段特征,提出通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。依据连续损伤理论对弹性体和分数阶黏塑性体进行改进,通过SN元件改进分数阶软体。利用综合改进后的考虑时效损伤的弹性体和基于分数阶微积分的非定常黏滞体和非定常黏塑性体,构建了新的三元件蠕变损伤本构模型,并用遗传算法得到了模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,表明所建模型具有合理性和适用性,可为红层边坡流变特性的研究提供一定参考。     

水岩作用下露天坑边坡岩石蠕变试验分析

为了探究水位升降对边坡长期稳定的影响,选取莱州仓上露天坑边坡岩石,对经历不同饱水-失水循环次数的岩样进行了三轴蠕变试验。通过分析SγJH蠕变应变-时间曲线及蠕变速率曲线,探究边坡岩石经历饱水-失水循环作用后的蠕变性质变化。进一步利用电镜对经历不同循环次数的SγJH岩样进行扫描,从细微观角度分析了水岩作用对矿坑边坡岩石损伤机理。结果表明:随饱水-失水循环次数增加,相邻循环次数下的SγJH轴向蠕变应变最多提高31%,侧向提高33%;SγJH-15后瞬时弹性应变较SγJH-0提高了54.3%,相邻荷载等级下蠕变应变提高24.3%,蠕变总应变可达到三轴压缩极限应变的80%以上。经历饱水-失水循环后,SγJH稳态蠕变速率不再为0,而是随饱水-失水循环次数增加不断提高,SγJH-15第5级荷载作用下稳态流变速率达到29.2×10^-6/h;在施加各级轴向荷载的瞬时,初期蠕变速率加速度亦有所提升。水岩作用下岩石力学性质变化机理研究方面,由于SγJH内部结构的非均质性,在饱水-失水循环作用下岩样发生微观弱化和破裂,使得原有的应力平衡被打破,从而造成岩石变形曲线产生了不规则波动和突变。     

原始损伤性片麻岩变形破坏中的能量特征分析

为探究不同初始损伤状态片麻岩在载荷作用下能量变化特征,取某隧道工程岩样进行单轴试验和三轴试验。对各试验岩样的应力-应变曲线特征进行分析,并对能量随应变的演化规律进行研究,结果表明:原地应力环境对试件性质影响较大;三轴试验条件下,岩石的能量演化规律可分为3个阶段,即稳定二次增长阶段、稳定破裂阶段及加速破裂阶段;损伤程度较高的片麻岩弹性能储存能力较弱,峰前扩容更明显,破裂位置更多;裂隙压密岩石弹性能储存比例高,脆性破坏更明显;卸围压过程中整体能量释放速率大于理论弹性能释放速率时,将造成卸荷损伤,使得岩石强度降低。该研究丰富了损伤性岩体的能量演化特征认识,并为片麻岩岩体工程建设提供了新的分析思路。     

水岩作用下红层泥岩蠕变特性

水岩作用下软岩蠕变特性的研究对真实水环境下岩土工程长期稳定性有重要影响。采用轴压水压联合作用岩石流变试验系统,研究了滇中地区红层泥岩不同应力及水压作用下的蠕变特性。研究结果表明:岩样在低应力水平下以瞬时变形为主,蠕变曲线主要呈现出衰减蠕变和稳态蠕变阶段特征,仅在最后一级应力条件下出现加速蠕变阶段;相同水压条件下,泥岩瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率均随加载应力的增大而增大,且水压越大,应力对泥岩蠕变的影响越敏感;相同应力条件下,泥岩蠕变应变、蠕变速率以及蠕变变形占总变形的比例均随水压的增大而增大,且应力水平越高,增大水压对泥岩蠕变特性的影响越显著。研究成果对于保证真实水环境下软岩工程安全具有重要的工程意义。     

基于能量法的混凝土循环加卸载动态损伤特性

为了从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性,利用大型动静力三轴仪对边长为150 mm的立方体混凝土试件,进行不同侧应力、不同应变速率的循环加卸载试验。用改进的Najar能量法,确定了一种新的损伤变量计算方法,对比分析了改进后的混凝土损伤演化曲线与试验所得混凝土应力-应变包络曲线,将修正后的Weibull-Lognormal损伤本构模型对试验数据进行拟合分析。结果表明:新的损伤变量计算方法简单,物理意义明确;改进后的混凝土循环加卸载损伤演化曲线可以分为三个阶段,损伤不变阶段、损伤加速发展阶段、损伤稳定发展阶段;选用的塑性变形公式与试验结果拟合较好;经过修正后的混凝土损伤本构模型能较好地模拟混凝土循环加卸载条件下的应力-应变包络曲线。     

Experimental investigation of creep behavior of clastic rock in Xiangjiaba Hydropower Project

There are many fracture zones crossing the dam foundation of the Xiangjiaba Hydropower Project in southwestern China. Clastic rock is the main media of the fracture zone and has poor physical and mechanical properties. In order to investigate the creep behavior of clastic rock,triaxial creep tests were conducted using a rock servo-controlling rheological testing machine. The results show that the creep behavior of clastic rock is significant at a high level of deviatoric stress, and less time-dependent deformation occurs at high confining pressure. Based on the creep test results, the relationship between axial strain and time under different confining pressures was investigated, and the relationship between axial strain rate and deviatoric stress was also discussed. The strain rate increases rapidly, and the rock sample fails eventually under high deviatoric stress. Moreover, the creep failure mechanism under different confining pressures was analyzed. The main failure mechanism of clastic rock is plastic shear, accompanied by a significant compression and ductile dilatancy. On the other hand, with the determined parameters, the Burgers creep model was used to fit the creep curves. The results indicate that the Burgers model can exactly describe the creep behavior of clastic rock in the Xiangjiaba Hydropower Project.     

香炉山引水隧洞围岩的蠕变特性及模型研究

为了探究滇中引水隧洞围岩的蠕变特性,采用实时高温常规三轴试验系统开展岩石的力学性能和蠕变试验。在建立岩石蠕变本构模型的基础上,根据蠕变试验曲线的特点,提出了一种确定蠕变参数的方法,并分析了不同应力水平下蠕变参数的变化规律,构建了蠕变参数与应力的关系。最后将各蠕变参数与应力之间的表达式代入蠕变本构模型中,得到修正的蠕变本构模型。结果表明：建立的蠕变模型不仅准确反映了衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特征,而且克服了传统模型难以描述加速蠕变的缺点。同时,该方法确定的蠕变参数不仅可以反映应力对蠕变参数的影响,还可有效反映应力状态对蠕变变形规律的影响。     

基于Norton方程的岩石蠕变损伤曲线的测定

Norton方程通常用于反映金属类材料的稳态蠕变阶段,为了研究Norton方程在岩石材料蠕变损伤的适用性,通过单轴蠕变压缩试验,对同一批试件施加不同轴向应力,绘制不同应力下的时间-蠕变曲线,随着轴向应力的增加岩石出现衰减、稳态及加速蠕变三个阶段。根据Norton提出的经验公式和七点法计算出岩石的应力指数,结合损伤力学理论与Norton提出稳定蠕变和加速蠕变的指数关系,计算出不同时间点的损伤变量,从而绘制出岩石的时间损伤曲线。采用前人提出的损伤模型绘制理论曲线和实验曲线对比,结果表明该曲线符合岩石随时间流变的损伤演化规律,从而得出岩石加速蠕变阶段的损伤曲线符合Norton方程。     

渗透压与围压对粉砂质泥岩流变特性的影响

为了研究渗透压及围压对岩体蠕变特性的影响,对三峡库区巴东组二段粉砂质泥岩进行了不同围压和渗透压下的三轴蠕变实验。根据试验结果,在分析粉砂质泥岩蠕变特性曲线的基础上,探讨了围压和渗透压对岩体蠕变特性的影响过程和机理。最后,采用等时应力-应变曲线法和稳态蠕变速率法求得了粉砂质泥岩在不同围压和渗透压下的蠕变长期强度。结果表明:①粉砂质泥岩瞬时弹性模量随着偏应力等级的增加而减小;②孔隙水压在蠕变初期能够减小轴向应变,但在蠕变后期由于其有利于裂纹扩展而增大了轴向应变;③渗透压缩短了岩石蠕变破坏的时间,使蠕变破坏呈现出一定的脆性特点;④渗透压的存在有利于岩石裂隙的扩展和贯通,因而降低了岩石蠕变的长期强度,但是围压的存在增大了蠕变长期强度。研究成果为深入认识和了解三峡库区粉砂质泥岩的流变力学特性提供了重要的试验和理论依据。     

基于AE统计模型的砂岩蠕变试验研究

为分析水溶液对砂岩蠕变特性的影响,利用RLJW-2000岩石流变伺服仪对3种含水率下的砂岩进行了单轴长期力学行为研究,并利用PAC声发射(AE)监测仪对砂岩试验全过程进行声信号采集。试验结果表明:砂岩在长期荷载下,表现出应变硬化特征,有明显的蠕变稳态阶段,伴随加载的进行,蠕变速率随之增大;随着含水率的增加,相同应力等级下的蠕变速率随之增大。振铃计数率与蠕变速率具有相同的变化趋势,且累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线两者走势基本相同。在假设试验材料服从Weibull统计分布的前提下,通过AE事件数表示岩石的损伤程度,推导出了基于AE事件点的损伤演化方程,相同应力水平下,高含水率砂岩内部损伤发展较低含水率快。比较蠕变曲线和损伤变量曲线的加速临界时间点,发现基于损伤变量得到的临界时间点相对蠕变加速时间点较为提前,说明利用声发射来预测蠕变破坏时间更为准确,这对于实际工程中的灾害防治工作有着重要作用。