板岩各向异性三轴蠕变特性的试验研究

为了研究板岩三轴蠕变特性,根据层理方向,对板岩进行0°和90°制备岩样,然后分别进行5 MPa、15 MPa和20 MPa围压的三轴蠕变试验。试验结果显示:围压和层理面是板岩蠕变的影响因素,围压越大,板岩的弹性模量和峰值强度越大。15 MPa围压下弹性模量和峰值强度各向异性度最大。同一围压下,平行层理面的峰值强度和弹性模量比垂直层理面的大。应力-应变曲线呈"厂"字形,板岩在低应力水平下蠕变很小,在临近破坏的高应力水平下有明显蠕变现象。围压越低,蠕变现象越明显,垂直层理面比平行层理面更易发生蠕变破坏。板岩每级加载都会出现瞬时应变且近似呈线性变化。板岩在最后一级加载下经历了初期蠕变、稳态蠕变和加速蠕变,在5 MPa和15 MPa围压下稳态蠕变期间有突变蠕变。板岩蠕变破裂形式主要沿层理面发生破坏,在低围压下附带张拉破坏,在高围压下附带剪切破坏。     

饱水与干燥状态下横观各向同性板岩蠕变特性

为研究水对横观各向同性板岩蠕变特性的影响,采用RYL-600微机控制岩石流变仪,以分级增量加载方式对饱水与干燥状态下具有横观各向同性特性的板岩进行蠕变试验.试验结果表明:饱水板岩试样和干燥板岩试样在蠕变试验中均出现瞬时弹性变形阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段及短暂的加速蠕变阶段.在相同加载条件下,饱水板岩试样的瞬时弹性模量小于干燥板岩试样的瞬时弹性模量.低应力状态下,饱水及干燥试样的蠕变速率都稳定,且相差不大;在高应力状态下,两种情况的蠕变速率都随载荷的增加而快速增长,且相差较大.饱水试样的破坏应力小于干燥试样的破坏应力,且随着层理角的增加都呈U形分布.     

高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明：1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。     

含瓦斯煤岩三轴蠕变特性及本构关系

通过不同载荷水平的含瓦斯煤岩常规三轴蠕变试验,得到含瓦斯成型煤样常规三轴蠕变特性,并对实验曲线进行了数学拟合研究;在对广义西元模型进行了改进的基础上,建立含瓦斯煤岩三轴蠕变本构模型.结果显示,含瓦斯煤岩的蠕变特性与所选载荷水平密切相关且围压、瓦斯压力明显延缓煤样的蠕变变形;三阶曲线-ε(t)可以较好地表征含瓦斯煤岩常规三轴蠕变的3个阶段;建立的改进广义西元模型可以较好表征含瓦斯煤岩三轴蠕变本构关系.     

层状岩石单轴压缩损伤本构模型研究

为揭示层状岩石在单轴压缩条件下的损伤演化机理,将横观各向同性体的柯西转轴方程和随机损伤理论结合,建立考虑荷载损伤的层状岩石损伤本构模型;通过不同层理倾角炭质千枚岩的单轴压缩试验,验证模型的合理性和准确性,并从细观图像、力学参数、破坏模式和损伤演化等角度讨论炭质千枚岩的各向异性特征.研究结果表明:所建模型的理论曲线与试验数据曲线基本相符,能够较好地反映和预测单轴加载条件下层状岩石的非线性力学行为;炭质千枚岩的各向异性显著,在层理倾角从0°～90°变化的过程中,强度、峰值应变和泊松比先减小后增大,弹性模量逐渐增大,并依次产生张剪复合破坏、剪切滑移破坏和劈裂张拉破坏等三种破坏类型;不同层理倾角岩样的损伤演化规律基本相同,损伤演化曲线均经历了缓慢上升、快速上升和趋于稳定等3个阶段,损伤演化率曲线均服从正态分布,但损伤发展速率各不相同,进而改变了材料的力学性能.这将为层状岩体受荷损伤计算、各向异性研究、围岩稳定性分析和岩层掘进施工等提供理论依据和技术参考.     

突出煤三轴蠕变特性及本构方程

以松藻矿务局打通一矿原煤制备的型煤为研究对象,研究了该煤样在围压作用下的蠕变特性规律,分析了产生此蠕变规律的原因,回归得到该煤样蠕变的经验公式,运用广义西原蠕变模型描述了型煤蠕变的三阶段,并确定了相关参数.结果表明:在围压作用下,蠕变载荷满足σ≥σs时,型煤蠕变曲线具有完整的三阶段;拟合曲线可以数学表达实际型煤蠕变的前2个阶段;广义西原模型是可以表征围压作用下型煤蠕变三阶段的本构模型.     

单轴压缩下炭质板岩的应变速率效应及声发射特性

为了探究应变速率对炭质板岩单轴力学特性和声发射特征的影响,开展了4组不同准静态应变速率（8.50×10^-6s^-1、1.70×10^-5s^-1、1.70×10^-4s^-1和3.34×10^-4s^-1）下的单轴压缩试验,并同时监测了加载过程的声发射信号。基于试验数据,总结分析了应变速率对炭质板岩应力-应变关系、能量耗散及声发射特征的影响规律,探讨了应变速率的影响机制。同时,基于加载过程中耗散能密度的演变规律,提出了将耗散能曲线平直段起点作为炭质板岩闭合应力σ_cc、平直段终点作为扩容应力σ_cd的特征应力确定方法。结果表明：在准静态应变速率范围内,炭质板岩的弹性模量和峰值强度随应变速率的增大均先增大后减小,在应变速率1.7×10^-4s^-1时达到最大值;闭合应力、起裂应力和扩容应力与峰值应力的比值基本在0.37、0.55和0.74左右,不随应变速率发生变化;应变速率对声发射信号影响显著,随应变速率增加,0~50kHz内的主频率占比逐渐增加,而100~250kHz内的主频率占比逐渐减小,炭质板岩的破坏形式逐渐由张拉破坏变为剪切破坏。     

碎裂板岩不同含水状态下蠕变特性试验

为了认识不同含水状态下碎裂板岩的蠕变特性,利用Instron全数控电液伺服力学试验机对贵州黔东南地区隧道洞口的碎裂板岩进行单轴压缩蠕变试验,研究其自然风干、不完全饱和和饱和试样的蠕变特性。实验研究结果表明：（1）碎裂板岩蠕变过程主要包括衰减蠕变和稳态蠕变过程,超过一定应力后,在极短的时间内破坏,因此可由广义开尔文模型描述其蠕变过程;（2）自然风干试样蠕变破坏应力为66.2 MPa,为自然风干试样瞬时单轴抗压强度的71.7%,不完全饱和试样蠕变破坏应力为56.1 MPa,饱和试样蠕变破坏应力为38.2 MPa;（3）不完全饱和试样的最大蠕变应变为自然风干试样的2.7倍,而饱和试样的最大蠕变应变值是自然风干试样的4.3倍。     

三轴压缩下突出煤粘弹塑性蠕变模型

煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的灾害之一,研究突出煤的蠕变特性是认识煤与瓦斯延迟突出机理的重要方向。采用自行研制的突出煤蠕变渗流试验装置,对取自松藻煤矿的煤样进行了突出煤三轴蠕变试验。蠕变试验数据分析表明,突出煤在低于其长期强度载荷条件下表现出一种衰减蠕变特性,在高于其长期强度载荷条件下则表现出非衰减蠕变特性。通过引入能描述非牛顿流体变形特性的粘弹塑性体,结合鲍埃丁-汤姆逊体建立了突出煤粘弹塑性蠕变模型。利用Matlab编程拟合出了模型的相关参数,并根据突出煤的三维蠕变试验结果对蠕变模型进行了验证。试验结果与理论结果对比表明,所提出的突出煤的蠕变模型能有效地反映突出煤各种蠕变阶段的变形特性,尤其是加速蠕变阶段,充分体现了所建立的突出煤粘弹塑性蠕变模型的正确性与合理性。     

湖相软土单轴蠕变特性及其模型研究

通过长期单轴蠕变试验,获得了湖相软土在不同应力水平下的应力-应变-时间的关系曲线,据此研究该软土的蠕变变形特性;在此基础上,利用非线性牛顿黏壶代替广义西原模型中的线性牛顿黏壶,将其从一维泛化到三维应力空间,建立了改进广义西原模型;利用曲线拟合法确定蠕变模型参数,并对该模型进行数值模拟验证。结果表明：软土在加载的瞬时均有一定的瞬时变形,然后随时间的延长,变形也明显增加;当应力水平低于50 kPa时,土体蠕变变形以衰减蠕变为主,处于黏弹性阶段;当应力水平高于50 kPa时,土体出现了衰减蠕变和稳定蠕变,呈塑性,并进入黏塑性阶段;由于环刀的侧限作用,软土土样未出现加速蠕变;改进广义西原模型具有非线性,由其计算所得的理论曲线能较好地与实测的蠕变试验曲线相吻合。     

绿片岩的单轴压缩各向异性蠕变试验研究

通过对锦屏二级水电站辅助交通洞的绿片岩单轴压缩蠕变特性试验,研究了轴向荷载方向与层理之间的不同关系对瞬时应变、应力应变关系、轴向应变速率、衰减蠕变持续时间和蠕变破坏机理的影响.研究结果表明:在相同低应力水平下,垂直于层理时的瞬时应变增量大于平行于层理时的瞬时应变增量,而在相同较高应力水平下垂直于层理时的瞬时应变增量小于平行于层理时的瞬时应变增量;同等应力水平条件下,垂直于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间均小于平行于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间.同时,当轴向荷载垂直或者平行于层理时,应力应变关系曲线均出现了压密、弹性变形、裂纹扩展和峰后破坏阶段,且蠕变破坏类型均属于脆性破坏.     

炭质板岩地层公路隧道结构受力特征及优化

在炭质板岩地层中进行隧道施工会面临软弱围岩大变形、掌子面易失稳等问题,合理的支护结构体系是隧道施工安全和经济的保障。为此,本文依托峨汉高速豹狸岗隧道工程,通过对Ⅳ级围岩段隧道施工过程中围岩压力、围岩-结构间接触压力、支护结构内力等进行监测分析,获得Ⅳ级围岩形变荷载分布规律及结构受力特征,研究表明:初期支护和二次衬砌的安全度较高,但支护材料强度没有得到充分发挥。因此基于支护结构受力有限元分析,对二次衬砌的支护参数进行优化,提出的支护优化方案整体可行,可为类似的工程提供一定的参考价值。     

镁合金循环蠕变的损伤本构关系

利用MTS809高级材料试验机对镁合金AM50进行了系列蠕变试验,基于微结构和缺陷的分析提出各向同性标量损伤变量,在能量释放率概念的基础上导出损伤变量的演化方程.针对镁合金的循环蠕变强化和回复软化的特点建立内应力演化方程,在不可逆热力学和内应力理论基础上发展了考虑损伤的循环蠕变本构关系.理论分析与试验结果吻合较好,表明所建立的计及损伤的循环蠕变本构模型能够描述镁合金的循环蠕变现象.     

深部三场环境下页岩蠕变模型的建立与试验

 针对深部环境的复杂性,建立了温度-应力-化学三场共同作用下页岩试样蠕变模型,并探讨了其作用机制。研究表明：页岩在复杂环境下蠕变特性的温度效应和pH 值化学效应明显,同一级应力水平下温度越高或者化学酸碱性越强,页岩的瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率越大,达到稳态蠕变阶段的时间也明显延长。pH 值对蠕变特性影响程度比温度的影响更明显。采用非线性元件代替常规线性元件,得到了页岩在深部环境下非线性黏弹塑性蠕变模型,该模型符合深部实际情况,能较好地模拟页岩在深部复杂环境下蠕变,从而求出模型参数。通过试验数据和拟合曲线吻合情况,验证了本模型的正确性。     

Study on the Constitutive Model of Marble Based on the Conventional Triaxial Compression Test

The RMB-150B rock mechanics test system was employed to obtain the complete stress-strain test curves under confining pressures of 0-30MPa for marble samples from Ya'an ,Sichuan province. On the basis of former study and the convention triaxial pressure test results ,the complete procedures curves which described the relationships between yielding strength、 peak strength、 residual strength and confining pressure was obtained. Taking the strain softening of rock into account, the bilinear elastic-linear softening-residual perfect plasticity four-linear model was put forward in this paper on the basis of the test results and theory of plasticity. This model was adopted to describe the behaviors of marble in different phases under triaxial compression with the constitutive equation of strain softening phase as focus. The results indicated that the theoretic model fitted in well with the test results.     

基于改进PSO算法的岩石蠕变模型参数辨识

微粒群优化(PSO)算法是一类随机全局优化技术,具有收敛速度快、规则简单、易于实现的优点.针对岩石蠕变本构模型参数的辨识问题,本文利用FLAC软件自带的fish语言实现了改进PSO算法对本构模型参数的辨识.该方法从岩石本构模型参数的随机值出发,以蠕变过程中试件变形的实验值与计算值的误差大小作为适应度函数来评价参数的品质,利用改进PSO算法规则实现模型参数的进化,搜索出全局最优的模型参数值,从而实现了岩石蠕变本构模型参数的自适应辨识.利用该方法对页岩蠕变实验进行了仿真研究,实验结果表明:改进的PSO算法用于岩石蠕变模型的参数辨识是有效的.     

单轴压缩下石灰岩损伤统计本构模型与试验研究

基于岩石应变强度理论和岩石强度的Weibull分布假设,引出能合理描述岩石微元强度的参量,采用损伤力学理论,建立了能够反映残余强度的单轴压缩下岩石损伤统计本构理论模型．并利用伺服控制试验系统(RMT-150B)对石灰岩进行了单轴压缩试验,得到合理的石灰岩损伤统计本构关系,并验证了理论模型。