对“岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)及其应用”的讨论

引言笔者从未进行过岩石流变力学的研究,只是近年讲授岩石力学课程,需要学习相关知识,阅读研究该方面论文。某些论文的试验结果似乎不太可信,对流变模型和模型参数或许有所误解。自认为这是研究生因时间仓促而疏忽所致,但学习了徐卫亚等的研究成果之后,笔者失去了自信。须知，徐卫亚等研究得到国家重点基础研究发展规划（973）项目和国家自然科学基金项目的联合资助，在法国里尔科技大学进行试验，为坝高305m、     

向家坝水电站含弱面砂岩剪切蠕变试验研究

向家坝水电站左岸坝基开挖过程中揭露出挤压带,该挤压带砂岩岩体质量差,其显著的蠕变变形对水工建筑物的安全稳定性不利.利用CSS-3940YJ型岩石剪切流变试验机,对挤压带含弱面砂岩进行剪切蠕变试验.试验结果表明:该岩石蠕变量大,破坏前剪应变为1.73%～8.05%,具有显著的延性特征,属于典型的软岩.正应力提高了岩石的延性特性.在恒定正应力下,岩石蠕变速率随剪应力水平的增大而增大.基于采集的大量试验数据,采用差分法求得每一时刻的蠕变速率,并利用幂函数对蠕变速率曲线进行拟合,分析表明蠕变稳定所需时间随剪应力水平的增大而增大.通过对破坏断口的分析发现:岩石内部微裂隙随剪应力水平和时间的增长而不断扩展直至贯通,致使岩石发生剪切破坏.该研究成果对向家坝水电站坝基工程有重要参考价值.     

岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)及其应用

通过将作者提出的非线性黏塑性体与五元件线性黏弹性模犁串联，建立一个新的岩石非线性黏弹塑性流变模犁（河海模型），该流变模型可以充分反映岩石的加速流变特性。推导了岩石在恒应力与恒应变情况下的流变方程，从理论上对岩石非线性蠕变和松弛特性进行分析，同时利用在岩石流变倒服仪上扶得的蠕变全程试验曲线，对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行充分验证，试验曲线与非线性流变模型的比较，显示了所建流变模型的正确性与合理性。基于提出的岩石非线性黏弹塑性流变模犁，推导该非线性流变模型在三维条件下的中心差分格式，采用FLAC^3D所提供的二次开发程序接口，研制岩石非线性流变数值程序，同时通过一个单轴压缩算例，进一步验证提出的非线性流变模型的正确性与合理性。采用研制的非线性流变数值程序，对锦屏一级水电站坝基岩石工程进行三维流变数值模拟，分析结果为锦屏一级水电站坝基岩石工程的长期稳定与安全性提供了合理建议与评价。     

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。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 引进岩石时效强度理论及Kachanov损伤理论,建立以时间变量表示的岩石损伤表达式,并将其与岩石黏塑性流变参数相联系,建立包含加载时间、加载应力等变量在内的岩石黏塑性流变参数非线性表达式,代入西原模型后即建立非线性黏弹塑性蠕变模型。当岩石受到的应力大于岩石长期强度时,岩石即出现损伤,岩石内部的微结构发生变化,岩石的黏塑性流变参数将随时间非线性变化。将建立的模型编入有限元计算程序,并进行数值试验,结果表明所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,可以统一描述软岩和硬岩的蠕变破坏过程,既可以描述软岩在加速蠕变阶段的渐变破坏过程,又可以描述硬岩在加速蠕变阶段的陡然破坏过程,具有广泛的适应能力。将大理岩、盐岩的蠕变破坏试验结果与计算模拟结果进行对比,两者基本吻合,从而验证了模型的正确性。这些成果表明所建模型将具有良好的应用前景。     

关于“对‘岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)及其应用’的讨论”答复

1引言作者发表在《岩石力学与工程学报》2006年第3期的“岩石非线性黏弹塑性流变模型（河海模型）及其应用研究”等引起了尤明庆先生的讨论,作者就岩石流变力学研究中的有关问题,与尤明庆先生商榷。     

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。     

改进的非线性黏弹塑性流变模型及花岗岩剪切流变模型参数辨识

对西藏邦铺矿区的花岗岩进行了干燥、饱和2种状态下的剪切流变试验,根据试验结果分析了2种状态下花岗岩的剪切流变特性。基于花岗岩加速剪切流变阶段的力学状态特征,提出一种改进的非线性黏弹塑性流变模型,该模型核心部分由带有剪应力判断条件的Kelvin体和带有应变值判断条件的改进非线性Newton体黏壶组成,能反映不同等级剪切应力荷载作用下的岩石流变规律,特别是能较合理地描述岩石加速流变阶段的非线性特征。对西藏邦铺矿区的花岗岩剪切流变试验结果进行参数辨识,获得的改进的非线性黏弹塑性流变模型的理论曲线与试验数据曲线较吻合,验证了所建模型是正确合理的。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

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.     

饱水砂岩的剪切流变特性试验及模型研究

 利用JQ200型岩石剪切流变仪,对武汉越江隧道围岩中的饱水砂岩进行剪切流变试验,得到不同应力状态下饱水砂岩的剪切流变曲线,研究其流变特性,并与干燥砂岩的流变特性做比较,发现饱水砂岩比干燥砂岩具有更明显的流变性,且饱水砂岩的应力门槛值比干燥砂岩的小些。基于得到的剪切流变试验曲线,用后验排除法进行流变模型的识别,最终选用五元件黏弹性剪切流变模型对试验曲线进行拟合,接着提出一种I-NVPB模型对全过程剪切流变曲线进行模拟,同时获得饱水砂岩的全部剪切流变参数。将试验结果与模型拟合结果进行对比分析,得出有关结论并显示所选模型的正确性,具有重要的工程实际意义和推广价值。     

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。     

砂岩流变损伤模型研究及其工程应用

描述岩石流变损伤常用的方法一般局限于加速流变阶段,并未考虑初始流变和稳态流变阶段的损伤,这与大量的试验研究结果相悖。为更好地描述岩石流变三阶段的损伤流变,基于室内试验结果与损伤理论,以Burgers模型、Mazars的损伤演化方程为基础,提出考虑流变全过程损伤的流变损伤本构模型,进行参数辨识,并验证所提出模型的合理性。在此基础上,采用FLAC3D软件,对苏州凤凰山隧道的围岩变形进行计算,对比分析现场监测数据和考虑损伤的流变模型及不考虑损伤的流变模型围岩的变形情况。结果表明,采用的流变损伤本构模型数值计算结果更加接近现场监测值,能够更好地反映洞室围岩的流变变形及损伤特性,因此考虑全过程损伤的流变模型是合理的。     

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。     

含天然贯通弱面石灰岩试样的力学性质研究

 为研究天然弱面对岩石力学特性的影响,对40个完整和含有53°～90°倾角的天然贯通弱面石灰岩试样进行纵波速度测试、单轴和常规三轴压缩试验。试验结果表明：纵波速度与弱面倾角和单轴抗压强度并没有明确的关系。试样破坏有沿弱面滑移、穿切弱面和复合破坏3种形式：弱面倾角为65°～80°时易沿弱面滑移破坏,强度明显偏低;弱面倾角小于65°或大于80°时出现穿切弱面破坏,强度和破裂角大致满足Coulomb 强度准则;有2个试样发生复合破坏,强度介于两者之间。石灰岩充填弱面的材料与主体类似,因而与完整试样具有相同的内摩擦因数 0.944;据此可以从三轴压缩强度扣除围压影响,得到40个试样材料强度为30.3～177.1 MPa,平均值为121.3 MPa,标准差为32.6 MPa,大致服从正态分布规律。因最弱断面的方向随试样而不同,其黏聚力也存在显著差异,引起试样三轴压缩的强度和破坏方式的显著不同。     

参数非线性理论流变力学模型研究进展及存在的问题

 对现有的参数非线性理论流变力学模型及其建立的方法进行系统的总结,归纳出处理参数非线性理论流变模型的3种方式：(1) 给出非线性流变部分的本构方程,推导出整个流变模型的本构方程,并进一步推导出包括蠕变方程在内的流变模型的其他方程;(2) 给出非线性部分的本构方程,推导出该部分的蠕变方程,并与常参数部分的蠕变方程叠加得到整个流变模型的蠕变方程;(3) 给出非线性流变部分的蠕变方程,与常参数部分的蠕变方程叠加,得到整个流变模型的蠕变方程。这3种方式可以对今后的研究给予指导。指出一些参数非线性理论流变模型和建立方法所存在的问题甚至错误,以免在今后的研究工作中犯类似的错误。     

具有沉积弱面试样的剪切拉伸破坏及强度分析

根据一组细砂岩试验结果发现:试样强度较低时,平均模量与强度成正比,表明岩样破坏时内部完好材料需要的弹性变形相同;而较高围压下裂隙闭合、承载能力增大之后,平均模量趋于常数。含有弱面的岩样可能是剪切破坏,也可能是剪切与拉伸组合的破坏,必须依据破裂形式分析试样的强度,分别确定完整岩石或弱面的黏聚力和内摩擦因数,而不能直接以强度与围压的关系回归Coulomb准则。