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。     

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,     

岩石力学损伤和流变本构模型研究

博士学位论文摘要 采用几何损伤理论和能量损伤理论对岩石的力学特性进行了研究和建模探索，并探讨了瞬时损伤对流变的影响。主要工作内容如下：     

热力耦合作用下岩石流变模型的本构研究

 高放废物深埋处置和深部采矿中,岩石在温度和应力长时间作用下表现出流变特性。对3种常用的流变元件：弹性元件、黏性元件和塑性元件进行讨论,对其在温度和应力作用的变形特性做了相应的假设,然后基于西原流变模型,得出热力耦合作用下西原模型的蠕变方程、卸载方程和松弛方程,当把温度影响因素去除,方程可退化为只受到载荷作用下西原模型的本构方程。通过这些本构关系可大致预测特定温度变化条件下岩石的流变破坏时间,并得出温度的变化会缩短岩石的流变破坏时间,温度变化率越大,岩石的破坏时间越短,分析认为其量级是相当的,即温度升高变化率每增加一个数量级,破坏时间就缩短一个数量级。这对研究深部岩石流变变形特性具有重要的指导意义。     

节理岩石剪切流变特性试验与模型研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站大型地下洞室群围岩中的无充填节理岩石进行了剪切流变试验,得到了节理岩石长期抗剪强度参数,与快速剪切试验获得的短期抗剪强度参数进行比较,发现长期抗剪强度参数有所降低,且粘聚力对时间敏感性高于内摩擦角。基于得到的剪切流变试验曲线,采用五元件粘弹性剪切流变模型对表现为粘弹性流变特性的试验曲线进行了辨识,获得了节理岩石的粘弹性剪切流变参数。然后将提出的非线性粘塑性体与五元件粘弹性剪切流变模型串联起来,建立了岩石七元件非线性粘弹塑性剪切流变模型。采用节理岩石加速剪切流变全程曲线,对七元件非线性粘弹塑性剪切流变模型进行了辨识,得到了非线性剪切流变模型材料参数,剪切流变模型与试验结果的比较,显示出了所建剪切流变模型的正确性与合理性。     

岩石损伤流变理论模型研究

分析了岩石的多孔隙特性、强度实验的全应力-应变曲线、蠕变特性曲线和松弛特性曲线.提出两条基本假定在极慢速度加载过程中,损伤与外界所做的功成正比;损伤的速率和内平衡状态下的损伤与实际损伤之差成正比.推导了适合于任何应变不减小的加载和卸载过程的损伤演化统一微分方程.给出了几种情况下的计算特性曲线,不仅曲线形状与实测曲线相同,而且在定量关系上也与实际相符,这充分说明了假设的合理性和损伤演化方程的正确性.该损伤演化方程只有三个材料常数,而且这三个常数都可以很容易地根据实验数据确定.该方程对于认识岩石的力学性质有重要意义,对岩石力学的发展及各种岩石工程实际问题的解决都有重要的推动作用.     

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。     

岩石动态破坏的时效损伤本构模型

阐述了国内外对岩石动态本构模型的研究现状。结合对花岗岩和大理岩实测冲击破坏本构曲线的分析，将统计损伤模型和粘弹性模型相结合，建立了一个简明的岩石冲击破坏时效损伤模型。利用该模型计算得到的本构曲线与实验数据的直接计算结果具有较好的一致性。     

岩石损伤本构模型研究进展

对国内外近年来岩石损伤本构关系研究的现状及新进展进行了较为详细的论述,并提出了岩石损伤本构模型尚待研究解决的问题,为推动损伤力学在工程中的应用提供了理论基础。     

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、     

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。     

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。     

线性积分模型和微分模型的普遍流变方程

给出了适合线性粘弹塑性流变模型的积分形式流变方程,并给出了普遍流变积分模型的流变方程。当该积分形式流变方程的蠕变核为负指数函数形式时,给出了相应的微分形式(K-C-M-B)的流变方程。     

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。     

石膏角砾岩流变特性及流变模型研究

石膏角砾岩蠕变试验结果表明其具有非线性及加速蠕变特性,因此提出2种非牛顿体粘滞元件,建立新的复合流变力学模型,推导了相应的一维和三维蠕变本构方程,对试验结果进行模拟。结果表明,该模型能较好地描述石膏角砾岩流变的全过程。     

西原模型对岩石流变特性的适应性及其参数确定

通过对伯格斯体与西原体的对比分析，认为西原模型能模拟各种岩石流变特征，而伯格斯体仅适合用于较软岩。由于考虑到荷载与起始流变应力的关系，西原模型的本构关系用分段函数表示。当σ〈σs时，西原模型的蠕变不导致无限变形，松驰不导致应力为0；当σ≥σs时，蠕变导致无限变形，松驰也不导致应力为0。伯格斯体忽略荷载与起始流变应力的关系，认为只要有荷载作用于岩体上，就会导致无限变形，这与岩石的实际流变规律相矛盾。此外，利用三轴压缩蠕变试验结果，分别利用伯格斯模型及西原模型，运用最小二乘法对赵各庄煤矿断层破碎带灰黄色糜棱岩的流变曲线进行了拟合，并求取了流变参数。拟合结果表明，西原模型比伯格斯模型更适合于描述岩石的蠕变特性。     

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。     

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识.以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究.先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法.然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分.并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法.最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例.     

考虑塑性变形的岩石损伤本构模型初步研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了考虑损伤和无损岩石塑性变形的Helmholtz自由比能函数，并用连续损伤介质力学方法推导出了考虑损伤和无损岩石塑性变形耦合的岩石弹塑性损伤本构关系，给出了损伤演化方程和塑性应变发展方程，该模型还反映了岩石损伤部分不能承受拉应力等力学特性。