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。     

高应力泥质粉砂岩黏弹塑性蠕变模型

为揭示高应力作用下深埋硐室围岩的流变特性,采用分级增量加载方式对泥质粉砂岩进行三轴压缩蠕变实验,根据稳态蠕变速率与应力的关系,利用给定蠕变速率阈值确定岩石的长期强度;结合蠕变曲线特征,将瞬弹性、黏弹性、黏塑性应变分离,建立模型各参数与应力和时间的函数关系;根据损伤定义确定瞬弹性、黏弹性元件的损伤变量,并引入瞬弹性、黏弹性损伤变量和黏塑性修正系数对西原模型进行优化,提出一种可以描述高应力作用下岩石蠕变全过程的变参数模型。研究结果表明:稳态蠕变速率随应力增大呈指数增大,采用给定蠕变速率阈值求得岩石的长期强度为68.82 MPa,为单轴抗压强度的74.80%;基于黏弹塑性应变分离建立的蠕变模型能够很好地描述岩石蠕变全过程的非线性特征,且优化模型与实验数据拟合较好,证明了该蠕变模型的合理性。     

黏塑性蠕变模型中屈服强度的确定方法

在岩石蠕变特性试验中,当施加的常应力达到一定程度后岩石将发生黏塑性变形,一般用屈服强度判断岩石是否发生黏塑性变形,与弹塑性理论不同,在黏塑性蠕变模型中,屈服强度并不是定值,而是随蠕变时间增长逐渐减小,确定蠕变过程中准确的屈服强度对黏塑性变形计算有重要的影响.首先,通过等时曲线法确定岩石长期强度的过程,对屈服强度随时间的变化规律及确定方法进行研究,阐明瞬时屈服强度与长期强度的关系;其次,把岩石全应力-应变曲线与蠕变等时曲线相结合,有效判断蠕变变形中是否发生黏塑性变形及黏塑性发生的时刻,推导出屈服强度随时间变化情况下的广义宾汉姆模型,结合不同类型岩石的蠕变试验结果,分析采用长期强度代替瞬时屈服强度产生的差值;最后,给出用岩石时效强度进行岩土工程设计的思路.研究成果有助于在蠕变模型中正确使用屈服强度,对蠕变模型研究具有一定的积极意义.     

基于互层岩体的非定常黏弹塑性蠕变模型及有限元分析

为研究互层岩体在考虑时效变形作用时的蠕变特性，提出了一种考虑应力、应变阈值的非定常黏弹塑性五元件模型。该模型能够同时描述岩体的瞬时弹性应变、黏弹性蠕变、线性黏塑性蠕变和非线性黏塑性蠕变（加速蠕变），推导得出了其在三维应力状态下的蠕变方程；基于ABAQUS有限元软件完成了UMAT子程序的研发，并通过对比岩体的室内蠕变试验与该模型数值模拟结果来验证模型的适用性。结果表明：蠕变试验结果与数值计算结果相吻合，非定常黏弹塑性模型不仅可以精确描述减速蠕变和稳态蠕变过程，还可以较好地描述岩体的加速蠕变过程，从而验证了该模型的适用性与有效性。     

岩石试件非线性蠕变模型及其参数确定

以改进的西原模型为基础，结合岩石的应力应变特征，对模型中的粘滞系数进行了改进，推导出的蠕变方程可描述岩石第三阶段的蠕变特性，同时对蠕变模型中的参数进行了确定；并运用MATLAB程序，结合实例作出改进蠕变方程的曲线及蠕变曲面并与通过实验所得曲线进行比较，改进的蠕变方程更能反映岩石的第三阶段蠕变变形。     

大理岩结构面非线性蠕变损伤本构模型研究

针对锦屏二级水电站地下洞室群围岩富含节理的情况,对主要围岩大理岩进行含软弱夹层的剪切蠕变试验,结果表明在应力水平较低时,蠕变变形主要有瞬时弹性变形和黏弹性变形组成,当应力水平较高时,蠕变变形主要有瞬时弹性变形,黏弹性变形和黏塑性变形组成。在广义开尔文模型基础上增加一非线性项,来描述衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段;根据加速蠕变阶段岩石的损伤特性,选取基于应力水平和时间因素的损伤变量,建立了岩石非线性蠕变损伤本构模型,并通过试验结果对该模型进行参数辨识,验证了该模型的正确性和合理性。然后,分别利用该模型和西原(Nishiharamodel)模型对加速蠕变阶段进行拟合,结果表明提出的模型能很好地描述加速蠕变阶段,克服了西原模型的不足。     

自然与饱水状态下深部斜长角闪岩蠕变特性

通过金川深部斜长角闪岩单轴压缩蠕变实验,选取典型蠕变曲线,发现该岩石黏弹性、黏塑性变形较瞬时变形偏小,卸载后弹性后效不显著.在5.1 MPa轴向应力下,自然状态的岩样近似纯弹性特征.饱水状态下岩样瞬时强度σ’b和长期强度σ’∝总体低于自然状态,且σ’∝已接近深部高地应力,因此,对于深部节理、裂隙很发育的岩体,应特别注意巷道排水,防止围岩因长期强度降低而导致巷道变形和破坏.自然与饱水状态下岩样瞬时弹性应变εme、瞬时塑性应变εmp随应力增大而增加,但增速逐渐放缓,饱水状态下塑性变形更显著;相同应力下,饱水状态岩样蠕变量大于自然状态,应变速率也总体快于自然状态,2种状态的蠕变速率在20～30 h时都逐渐稳定,且速率曲线随应力增大,微裂隙压密,彼此逐渐靠近,岩样处于相对硬化阶段;当轴向应力达到66.3 MPa后,饱水状态蠕变速率有相对加速趋势,速率曲线随应力增大先往左下移动,再朝右上移动,而自然状态蠕变速率曲线总体向右上移动.最后,通过蠕变数据分析,推导γ=ασk型经验方程,对蠕变试验数据进行回归拟合,拟合结果证明该蠕变经验模型的正确性.金川矿区斜长角闪岩蠕变实验研究为分析深部巷道该类围岩流变稳定性及支护方案优化等提供有效帮助.     

对改进西原模型的再认识

从岩石的物理变形机制出发,对改进西原模型的物理意义进行了理论探讨,得出改进西原模型蠕变变形机制是一个强化作用有限发挥、弱化作用累积的过程的结论.分析表明:改进西原模型能够描述简单应力状态下不同应力水平的岩石蠕变特性曲线,在同一应力水平下,可以用蠕变加速度作为判定模型的稳定性判据;将改进西原模型用于直剪蠕变试验,需考虑有效法向应力对长期强度极限的影响,用于三轴蠕变试验,需考虑长期强度极限与围压的关系;对于应变局部化问题,采用改进西原模型必须考虑黏性效应与其他正则化机制的耦合作用.     

高围压高孔隙水压作用下岩石蠕变特性

对重庆某地深部砂岩进行高围压和高孔隙水压作用下分级加载蠕变试验。结果表明:加载初期的一较短时间内,孔隙水压力在一定程度上延缓轴向变形,随后整个加载过程表现为增强岩石轴向变形。相同围压下,有孔隙水压和无孔隙水压时岩石蠕变可能存在一个相同的应力强度比阀值,当应力强度比超过该阀值后便会出现加速蠕变破坏。选取三元件广义Kelvin模型描述高围压高孔隙水压作用下加载应力低于屈服应力σs时的岩石蠕变特性,效果较为理想。基于高围压高孔隙水压作用下砂岩加速蠕变试验曲线特性,采用拟合、类比的方法引入一个二元件黏塑性模型,将其与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的可以描述岩石加速蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。采用基于Quasi-Newton非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对高围压高孔隙水作用下岩石加速蠕变全过程曲线进行辨识,对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,验证非线性黏弹塑性模型的正确性。     

东梁煤矿非饱和砂岩黏弹塑性蠕变分析

为探讨非饱和砂岩的蠕变特征,利用TAW-2000电液伺服岩石三轴仪对阜新东梁煤矿砂岩进行了不同应力水平的三轴蠕变试验,用改进的流变模型来描述非饱和砂岩蠕变的全过程,并对改进黏弹塑性流变模型的参数进行了确定.研究结果表明:在低中等应力水平作用下,非饱和砂岩因受其成分、结构和水分等因素影响,蠕变变形不稳定,蠕变曲线呈现出不同程度的凹凸变化;在高应力水平作用下蠕变过程相对平稳且出现加速蠕变阶段.考虑非饱和砂岩蠕变具有弹性变形、塑性变形和粘性变形的性质,引入非线性黏壶元件改进了黏弹塑性蠕变模型,模型计算结果与试验结果的吻合度较好.     

基于粘塑理论的岩石流变本构模型研究

基于热力学框架下的Perzyna粘塑理论,推导了适用于岩石的流变粘弹塑性本构模型,结合砂岩的三轴蠕变试验数据,对推导的本构模型的合理性与正确性进行了验证.结果表明:基于粘塑理论的流变本构模型可以较好地反映岩石的流变力学特性,对室内试验结果拟合得到的相关力学参数可以作为现场岩体流变力学特性评价的参考依据.     

盐岩蠕变对固井质量的影响

盐岩具有较好的可塑性,在钻井及固井过程中易发生塑性变形或蠕动流动,经常造成盐岩层段固井水泥胶结较差。为给盐层段固井质量评价提供理论依据与指导,通过盐岩力学及蠕变实验获取了盐岩力学特征及蠕变特性参数,构建了盐岩蠕变模型,分析了研究区的实际工程资料。结果表明：相同应变条件下,围压越大,盐岩承载能力越强,弹性模量越大;不同围压条件下,盐岩表现为典型弹塑性变形特征,盐岩破坏类型为扩容破坏;偏应力越大,瞬时弹性应变越大,稳定蠕变应变率越大;随着盐岩的蠕变,固井二界面密封能力在短时间内迅速增大,1000h后增速变缓并以一较小的稳定速度继续增大,且工程实践与数值模拟结果得到相互验证。可见评价模型与方法对盐岩层段固井质量评价具有积极实践意义,亦可对其他地区类似地层提供有意义的借鉴。     

片岩三轴蠕变特性及蠕变模型研究

在云南澜沧江流域,发育了大量的倾倒变形体。软硬岩互层的岩体结构是该流域形成倾倒变形体的重要原因。软岩的岩体力学参数是研究倾倒变形体的关键点。为了研究其变形机制,采用YSJ-01-00岩石三轴蠕变实验机,在恒温条件下,对片岩进行三轴蠕变实验;采取Burgers模型对其流变曲线进行辨识,并确定模型参数。试验结果表明,该种岩石长期强度只有瞬时强度的0.71倍。通过对实验曲线的研究,本文系统分析了片岩在蠕变条件下的变形特征和力学特征。着重探讨了加速蠕变阶段的轴向应变-应变率-偏应力关系特征。为预测和评价倾倒变形体的长期稳定性提供了重要依据。     

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。     

不同加载路径下盐岩蠕变特性试验

为了研究加载路径对盐岩蠕变特性的影响,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了3种不同加载路径的蠕变试验,分析了盐岩在不同加载路径下的蠕变变形规律。结果表明,在恒围压、分级增加轴压加载路径下,随着轴向应力增加,盐岩瞬时应变、蠕变应变和蠕变速率均逐渐增大,衰减蠕变阶段持续的时间也逐渐延长;在恒轴压、分级卸围压加载路径下,当围压小于某个特定值时,围压的变化对盐岩蠕变特性产生一定的影响,当围压高于该值时,盐岩的蠕变特性似乎与围压无关,且从试验结果来看,该值应在4 MPa以上;在恒轴压、循环围压加载路径下,围压及其循环周期对盐岩蠕变特性的影响非常大,降围压阶段盐岩蠕变速率明显高于升围压阶段,且围压循环周期越小,降围压阶段蠕变速率与升围压阶段蠕变速率的比值越大,周期越大,该比值越小。     

基于围压增量的损伤砂岩三轴蠕变试验

为研究岩石峰后轴向与径向蠕变特性,采用MTS815岩石力学试验系统,进行了三轴压缩下红砂岩峰后蠕变试验,获取了不同性态的峰后轴向与径向蠕变曲线,探讨了岩石峰后轴向与径向蠕变特征,研究了损伤程度、围压增量对峰后轴向与径向蠕变特性的影响规律.试验结果表明:岩石峰后轴向与径向蠕变曲线主要由等速蠕变阶段和加速蠕变阶段组成,峰后径向蠕变特征相比轴向蠕变特征更显著;轴向和径向蠕变量与损伤程度呈正相关,径向蠕变相比轴向蠕变对损伤程度的敏感性更高,损伤程度的变化对径向蠕变的影响程度更强;施加围压增量,轴向与径向蠕变速率大大降低,蠕变失稳时间延长;围压增量对径向蠕变的影响明显强于轴向蠕变,工程实践中应重点控制围岩的径向变形.     

盐岩时效特性实验研究与理论分析

通过对盐岩单轴、三轴的强度与蠕变实验结果的分析,研究了应力状态对盐岩的强度及其时间相关性特征的影响。分析结果表明:盐岩是一种软岩,围压对盐岩力学性质影响较大;盐岩稳态蠕变率是应力状态的函数。通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了盐岩的蠕变本构方程,结果表明该方程能较好的模拟实验结果。     

红层泥岩剪切蠕变特性及非定常本构模型研究

滇中红层泥岩具有显著的流变特性，会给当地工程建设带来安全隐患。选取狮子山隧洞段的红层泥岩进行分级加载蠕变试验，对其蠕变特性开展研究。结果表明，在较低应力状态下，岩样主要表现为衰减蠕变，而在较高应力状态下，岩样将发生从衰减蠕变、等速蠕变直至加速蠕变破坏的全过程蠕变。对岩样各阶段变形数据进行回归分析，建立拟合方程，发现岩样各阶段变形具有显著的非线性变形特性。根据岩样的非线性变形特性提出了1个指数型加速元件，通过与Bingham体中的黏性元件串联形成改进的Bingham体，使其能克服传统Bingham体模拟加速阶段存在的不足，并同时对Hoek体及Kelvin体进行非线性改进，然后通过将非线性Hoek体、Kelvin体与改进Bingham体串联，建立了1个能够描述滇中红层泥岩蠕变特性的非线性、非定常黏弹塑性岩石蠕变模型。通过与不同剪应力下红层泥岩的蠕变试验曲线进行比较，发现理论模型得到的结果与试验数据吻合较好，表明所建模型对于滇中红层泥岩具有较好的适用性。     

一种改进的岩石黏弹塑性加速蠕变力学模型

为了全面描述岩石蠕变全过程,克服线性牛顿体不能准确描述加速蠕变的不足,在引入非线性蠕变体模型基础上,结合流变力学模型理论,定义应力与试件长期强度的比值为加速蠕变速率幂级数n,模型发生加速蠕变时的总蠕变量为蠕变特征长度εc,进而得到一种改进的能够描述岩石黏弹塑性加速蠕变的力学模型。结合东乡铜矿砂质页岩单轴压缩下分级增量循环加卸载蠕变试验,对模型参数的辨识进行解释,并将该模型的蠕变拟合曲线与实验的蠕变曲线进行对比。研究结果表明:该模型能很好地描述了岩石的加速蠕变特性。