三轴压缩下红砂岩峰后蠕变力学特性试验

为研究岩石峰后蠕变力学特性,利用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,对红砂岩进行三轴压缩下峰后蠕变试验.分析了红砂岩峰后蠕变特征,估算了红砂岩峰后长期强度,采用改进的西原模型对峰后蠕变特性进行了描述,确定了模型参数.结果表明:红砂岩峰后蠕变破坏应力下并不直接进入加速蠕变阶段,而是由等速蠕变阶段逐渐向加速蠕变阶段转化.红砂岩峰后蠕变变形主要集中于加速蠕变阶段,加速蠕变阶段短时间内蠕变的剧烈变形是岩石失稳破坏的重要原因.随着荷载的加大,岩样的破坏形态由单一的剪切破坏与裂纹扩展等破坏形式逐渐向多剪切破坏演化,破坏块体增多,岩样更加破碎.本次试验红砂岩峰后长期强度仅为其峰值强度的42.56%,长期强度折减量较大.红砂岩峰后蠕变特性可用改进的西原模型进行描述,各级应力水平下模型曲线与试验曲线拟合较好.研究结果为深部工程围岩峰后流变力学特性研究提供了一定的参考意义.     

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。     

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。     

甘肃天水泥岩压缩蠕变特性试验及模型研究

甘肃天水地区黄土-岩质滑坡和岩质滑坡分布面积较广,数量较多,且滑面多处于泥岩中。为了进一步探究软岩的蠕变特性,了解滑坡变形破坏的本质,采用YSJ—01—00岩石三轴压缩蠕变试验仪对天然状态下的甘肃天水泥岩进行了分级加载条件下的三轴压缩蠕变试验,得到了泥岩的蠕变全过程曲线、不同应力水平下的应变-时间曲线和长期强度。通过对其蠕变特性进行分析,提出了一种改进的西原模型和模型的破坏判据,并利用改进的西原模型对泥岩压缩蠕变曲线进行拟合,获得了泥岩的蠕变参数,推导出蠕变破坏的时间。分析结果表明,改进的西原模型能够较好地描述泥岩的蠕变规律,特别是加速蠕变阶段,这有利于滑坡临滑预报的研究,对甘肃地区黄土-岩质滑坡、岩质滑坡和其他软岩研究等具有重要的科研意义和工程意义。     

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。     

冻土蠕变模型在ABAQUS中的二次开发

为了使广义西原模型可以描述冻土的各个变形阶段,用非线性牛顿体替代线性牛顿体进行改进,采用类比的方法将冻土单轴应力状态下的本构方程推广到三维状态;在ABAQUS中利用二次开发平台,编写了改进广义西原模型的UMAT子程序,并在单轴、三轴蠕变条件下进行检验。单轴蠕变的数值解与解析解计算结果十分吻合,两淮地区深部冻结粘土三轴蠕变试验模拟值与实验值相符。表明改进的广义西原模型可以很好地描述冻土蠕变变形特征,包括加速蠕变阶段,UMAT子程序可以用于冻结法施工工程数值模拟。     

粉砂质泥岩流变力学参数的试验研究

通过对粉砂质泥岩进行围压37 MPa下的常规三轴压缩试验和三轴压缩流变试验,获得应力-应变曲线和蠕变曲线,对其瞬时力学性质和流变力学性质进行了比较,分析了长期荷载对粉砂质泥岩力学参数的影响,并利用改进的西原模型对围压5 MPa下的蠕变试验曲线进行了模拟.结果表明,该粉砂质泥岩具有明显的时间效应,其强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角等力学性质指标在长期荷载作用下均有不同程度降低,其中强度指标表现得最为明显,长期荷载对黏聚力的影响较大,而对内摩擦角的影响较小;所采用的改进西原模型能够很好地反映该粉砂质泥岩的流变力学特性.     

水压轴压长期共同作用下深部矿井灰岩蠕变特性试验研究*

借助于高精度微机控制多通道水压轴压联合作用岩石流变试验系统,对灰岩进行水环境中的压缩流变试验,采用相同水围压力和不同轴向压力连续加载方式,开展水压轴压共同作用下灰岩蠕变特性的初步研究。试验结果表明:相同水压环境中,轴向变形量随着应力水平的增加而增大,且变形速率随着时间的增加而减小;岩石蠕变破坏模式与轴向应力有关,可能存在某一应力阈值,低于该轴向应力阈值时岩石为张拉破坏,超过该阈值时岩石呈剪切破坏;初步分析了水压影响岩石蠕变的机制,可为研究水压环境中地下工程的长期稳定性提供参考依据。     

基于能量守恒定律对西原模型的改进与验证

在油气钻井工程中,由岩石蠕变引起的井眼缩径或井壁坍塌时有发生,本文基于能量守恒定律分析岩石蠕变的3个阶段,阐述传统的蠕变模型难以研究岩石加速蠕变阶段的原因。为此,在西原模型的基础上串联了一个绕组元件,建立改进西原模型及相应的本构方程。根据油气开发过程中所钻遇地层部分岩心的蠕变实验数据,对建立的改进西原模型进行验证,表明该模型能够很好地反映出岩石的蠕变特性,尤其是在岩石所受荷载大于长期强度的情况下,对凸显岩石加速蠕变阶段效果明显。该改进西原模型的提出可为进一步揭示岩石蠕变的客观规律提供理论依据。     

离子型稀土矿体蠕变特性及模型研究

为研究离子型稀土矿体蠕变特性,基于GDS三轴试验系统,对原状矿样进行不同围压和含水率下的三轴蠕变试验。结果发现:偏应力水平不超过50%,矿样主要发生衰减蠕变变形,且以瞬时弹性变形为主,蠕变变形量很小,矿样处于稳定状态。当偏应力水平达到70%,矿样发生非稳定蠕变,在经历减速蠕变和等速蠕变后,变形迅速发展,矿样在短时间内破坏。围压和含水率对离子型稀土矿体在加速蠕变阶段的变形特性影响显著,围压越小,矿样越早进入加速蠕变阶段,发生破坏的时间越短;含水率越大,矿样破坏时变形量越大,强度降低越明显。基于蠕变试验数据,分别探讨Burgers模型、西原正夫模型以及幂函数模型的适用性;并且在Burgers模型基础上引入非线性黏滞元件,建立一种新的非线性黏弹塑性模型。该模型能较好描述离子型稀土矿体蠕变全过程。     

砂岩蠕变特性试验及三维非线性力学模型研究

为了描述岩石的蠕变力学行为,开展不同围压条件下的砂岩三轴压缩蠕变试验。研究表明：岩石稳定蠕变阶段是岩石微裂纹不断发育和扩展的过程,稳态蠕变速率与围压呈幂函数增长关系;砂岩在围压5 MPa、10 MPa和15 MPa下的长期强度分别为19.8 MPa、22.3 MPa和24.7 MPa,长期强度随围压的增强而递增。基于岩石蠕变的非线性特征,定义了一个与围压相关的黏弹性模量E（p）,经过推导变换得到了可反映岩石蠕变受时间和围压影响的E（p,t）,应用于改进后的Burgers模型,从而得到新的一维蠕变本构模型。将其拓展到三维应力状态,得到新的三维非线性力学模型,识别蠕变试验数据,对比分析预测效果,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为岩石三维应力状态下蠕变行为模拟提供一定参考。     

天然中等风化泥岩非线性黏弹塑性蠕变模型

天然中等风化泥岩作为灌注桩的桩基承台,其承受混凝土灌注桩传递的长期荷载会发生蠕变,而中等风化泥岩的蠕变过大会对灌注桩承载力有影响,因此需要展开中等风化泥岩蠕变模型的探讨和研究。由于目前大多数蠕变模型对于蠕变的全阶段曲线的描述都不太理想,所以基于西原体,把非线性黏塑性体与西原体串联得到了一种新的模型;继而通过拉式变换得到了一种新的蠕变方程。以新的蠕变方程对中等风化泥岩单轴蠕变的试验数据进行拟合,并对此蠕变方程进行了与时间有关的参数敏感性分析。     

基于蠕变试验的冻结红砂岩长期强度

人工冻结法以其独特的优势广泛应用于西部建井工程,因此研究岩石在冻结状态下强度特性尤其重要,基于冻结红砂岩蠕变试验,分别通过过渡蠕变法、等时应力-应变法、裂纹损伤应力法、稳态蠕变速率交点法得到冻结砂岩长期强度。结果表明：（1）通过过渡蠕变法可以得到冻结砂岩长期强度的取值范围,约为三轴压缩强度的45~65%左右;（2）体积应变等时曲线簇更加能够体现时间对岩石变形的关系,长期强度约为三轴压缩强度的48%左右;（3）稳态蠕变速率法能够较为简单的确定岩石长期强度,但因其方法本身具有一定的局限性,综合考虑三向蠕变速率,对其改进得到稳态蠕变速率交点法,可以更加精确反映砂岩强度,长期强度约为三轴压缩强度的49%左右;（4）引入裂纹体积应变计算方法,根据其与时间的关系得到裂纹体积应变等时曲线簇,得到的强度值与等时曲线法及其相近,因此裂纹损伤应力法也可作为确定岩石长期强度依据。将冻结红砂岩的长期强度作为监测冻结壁变形的标准,可为评价冻结壁蠕变诱发失稳破坏提供理论支撑和试验依据。     

砂岩地层井壁稳定性分析

 南海某油田深部地层砂岩存在因蠕变导致的缩径现象,有必要分析该油田砂岩地层蠕变性质,为砂岩地层安全钻井提供借鉴。使用某油田深部地层砂岩岩心进行室内蠕变实验,测定不同差应力下岩心蠕变率。使用西原模型拟合了实验结果,拟合精度较高,并计算了某油田砂岩缩径井段安全钻井周期。计算结果表明,提高钻井液密度可大幅提高安全钻井周期,也可采用定期起下钻、下套管封固缩径井段等工程措施阻止或减缓砂岩蠕变。     

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。     

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。     

基于蠕变试验及Burgers模型参数分析的三趾马红土长期强度确定

为了确定重塑三趾马红土的长期强度,首先利用改进的直剪蠕变仪,对甘肃陇东地区三趾马红土进行了剪切蠕变试验,得到了三组固结压力下蠕变曲线。在对各级固结压力蠕变曲线的Burgers模型拟合参数分析的基础上,提出了利用Burgers模型参数中的Maxwell体的黏滞系数与相应的剪应力加载等级之间曲线的最大曲率点确定三趾马红土的长期强度的方法,得到了三趾马红土的长期强度。通过与过渡蠕变法及等时曲线法确定的长期强度值对比,表明基于Burgers拟合参数分析的三趾马红土的长期强度确定方法较为合理。提出的长期强度确定方法及试验结果可对黄土地区受三趾马红土层控制的滑坡的稳定性评价及工程防治提供参考。     

干/湿状态下HFRP搭接接头的剪切蠕变试验及分数阶导数流变模型

搭接是纤维增强复合材料(FRP)的重要连接方式,长期性能是该技术实际工程应用的关键.对不同恒定应力和湿度状态下混杂FRP(HFRP)双搭接接头的剪切蠕变性能进行了试验研究.试验观测到了明显的蠕变变形,测定了蠕变与恒定应力及湿度的关系.进一步采用分数阶导数流变模型对试件的蠕变进行模拟.根据模型所包含的Mittag-Leffler函数的性质采用了改进的Powell优化算法,并确定了合理的初值,结合试验曲线拟合得到模型各参数值.根据搭接接头蠕变的特点,在经典分数阶流变模型中引入了表征应力水平对搭接接头非线性蠕变特性影响的函数,提出了一种改进的分数阶蠕变柔量计算公式.研究结果表明,该流变模型能够采用简单的表达形式和较少的参数对试件的非线性蠕变行为进行拟合,在30%~70%恒定应力范围内准确模拟了双剪搭接接头的蠕变曲线.