考虑水化学损伤的砂岩流变损伤本构模型

通过对已有的水化学溶液腐蚀作用后红砂岩三轴蠕变试验结果的分析,可知水化学作用能够加快岩石损伤的发展,增强红砂岩的蠕变效应。根据水岩化学作用的动力学理论,将红砂岩中可溶解胶结物的流失作为水化学腐蚀作用下岩石力学性能劣化的根本原因。通过化学反应速率方程和测定浸泡过程中溶液p H值的变化,定义了考虑初始p H值和时间的化学损伤因子。考虑流变过程中的应力损伤,基于广义Kelvin模型,提出了考虑水化学作用的砂岩流变损伤本构模型。通过对水化学作用下红砂岩流变试验结果进行模拟,对该模型进行了参数辨识和验证。结果表明,所提出的模型能够较好地反映水化学作用下砂岩的流变特性,具有有效性和合理性。     

含水状态下软岩蠕变试验及损伤模型研究

为考虑时效劣化和含水弱化对岩石蠕变参数的劣化效应,提出了蠕变损伤模型,即对西原模型进行参数修正与完善,开展了不同含水状态的软岩三轴蠕变试验。首先,对不同含水率的岩石蠕变规律进行了对比分析,初步揭示了含水状态对岩石蠕变过程影响规律的机理。其次,为了能够较好地描述岩石蠕变过程,引入时效劣化效应和含水弱化效应,并通过试验数据拟合了损伤变量和蠕变参数。最后,将模型的计算值与试验值进行对比分析。结果表明,岩石随着含水率的增大,初始蠕变值和稳态蠕变值有所增大。通过FLAC3D验证了该模型的数值计算值与试验值具有很好的吻合性,提出的岩石时效蠕变损伤模型将为岩石流变特性的研究提供一定的理论基础。     

化学腐蚀-冻融综合作用下岩石损伤蠕变特性试验研究

为探讨化学腐蚀-冻融综合作用对岩石损伤蠕变特性的影响规律,选取大东山隧道石英岩和石英砂岩开展研究。将岩石试件在不同化学溶液中经历不同冻融循环次数后,采用电镜扫描对岩石表面细观特征进行分析。并开展岩石三轴蠕变试验,分析化学腐蚀-冻融综合作用对岩石瞬时应变、蠕变应变、蠕变速率和长期强度等参数的影响规律。研究结果表明:化学腐蚀-冻融综合作用导致岩石发生损伤,岩石损伤程度随着冻融循环次数的增加而增大,化学腐蚀影响程度由大到小依次为HCl溶液、NaOH溶液和NaCl溶液;岩石各蠕变力学参数随着冻融次数和溶液环境的改变而明显变化。随着化学腐蚀-冻融作用加剧,岩石试件破裂形态有由脆性向延性转变的趋势。冻融循环和化学腐蚀对岩石损伤是相互促进的,双因素耦合作用对岩石损伤和蠕变特性影响均大于单因素的影响。     

冻融循环作用下砂岩蠕变特性及损伤模型研究

青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。     

基于断裂及高温损伤的岩石蠕变模型研究

为了反映热-力耦合作用下岩石蠕变变形的全过程,依据断裂力学原理提出了岩石裂纹扩展的临界损伤应力和一个新的可描述岩石在稳态蠕变阶段与临界损伤应力相关的非线性黏性分量,在传统西原模型和Burgers模型的基础上,将指数形式的损伤变量、临界损伤应力以及与其有关的非线性黏性分量引入到流变微分方程,通过叠加原理推导了考虑温度效应的单轴和三轴压缩条件下岩石的流变本构关系,建立了岩石的热-力耦合损伤蠕变本构模型。利用不同温度、不同应力条件下花岗岩的三轴蠕变试验曲线和本文蠕变模型的计算曲线进行比较,结果表明本文蠕变模型能够较好地模拟岩石在初始瞬态、稳态和加速蠕变阶段全过程的变形规律,验证了所建模型的有效性和合理性。该模型为分析高温、高应力环境下岩石工程的长期变形和稳定情况提供了理论依据。     

基于等效黏弹性的变阶分数阶岩石损伤蠕变模型

基于分数阶Zener模型与时变黏性Zener模型之间的等效黏弹性,突出弛豫时间在岩石流变黏弹性演变过程中的重要性。当弛豫时间趋近于无穷大,蠕变过程中的黏性演变等同于松弛过程中的黏性演变,并且建立了与弛豫时间相关的损伤因子,解释了损伤因子在岩石流变变形过程的物理意义。利用弛豫时间建立分数阶变阶函数,依此构造变阶分数阶损伤蠕变模型,并且将模型推广到三向应力状态,给出三向应力状态下变阶分数阶损伤蠕变模型。最后基于砂岩的三轴蠕变试验数据,验证了三轴状态下变阶分数阶损伤蠕变模型的可应用性和合理性,试验数据与模型拟合曲线吻合度较高,可以较好地描述蠕变全过程力学行为。模型拟合参数的有效性得到分析和验证,增加了模型在其他复杂应力环境下的可应用性。     

水化学与冻融循环共同作用下砂岩细观损伤与力学性能劣化试验研究

为研究水化学与冻融循环共同作用下岩石的细观结构损伤及力学性能劣化特征,分别对经酸性、中性和碱性水化学溶液浸泡和冻融循环处理后的砂岩进行核磁共振测试和单轴压缩试验,分析砂岩孔隙度和力学参数的变化规律,结果显示:随水化学溶液浸泡时间的增加,砂岩强度和弹性模量均有所降低,且酸性溶液下的降幅最大。随水化学溶液冻融循环次数的增加,砂岩强度和弹性模量均有明显降低,且中性溶液冻融循环下的降幅最大;水化学溶液浸泡对砂岩小孔径孔隙度分量影响不大,而水化学溶液冻融循环对其影响显著,且不同溶液下小孔径孔隙度分量增幅较接近;水化学溶液浸泡与水化学溶液冻融循环对砂岩大孔径孔隙度分量的影响均较显著,单纯浸泡下酸性溶液增幅最大,冻融循环下中性溶液增幅最大;水化学溶液冻融循环条件下砂岩小孔径孔隙细观结构以受冻胀损伤为主,大孔径孔隙则受化学腐蚀和冻胀损伤的共同作用,在孔隙度上综合表现为冻胀与腐蚀的叠加效应,且在砂岩大孔径孔隙细观结构上,酸、碱腐蚀对其与冻胀作用的叠加效应有一定抑制作用;砂岩初始裂隙体变与核磁孔隙度变化率相关性良好。     

考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究

以北山花岗岩为研究对象,采用MTS815岩石力学试验系统开展不同温度条件下的蠕变特性试验研究。考虑温度对花岗岩特征参数的影响,结合岩石蠕变破坏过程中的损伤演化规律,提出了一种新的高温损伤流变元件。通过将高温损伤流变元件代替经典西原模型中Newton元件的方法,构建了能够描述不同温度条件下花岗岩蠕变全过程的本构模型。分析了不同温度条件下花岗岩单轴蠕变试验结果,确定了模型参数,获得了温度对花岗岩蠕变关键参数的影响规律。通过对花岗岩高温蠕变模型进行参数敏感性分析,揭示了弹性模量、黏性系数等关键参数对花岗岩蠕变特性的影响规律,并验证模型在不考虑温度及损伤的影响条件下可退化为经典西原模型。研究表明,建立的花岗岩高温蠕变本构模型可以准确地描述花岗岩典型蠕变全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段。黏性系数受损伤的影响越大,花岗岩的稳定蠕变阶段越短,越容易发生加速蠕变。     

考虑初始损伤和蠕变损伤的岩石蠕变全过程本构模型

考虑到天然岩石存在不同程度初始损伤以及蠕变过程中岩石受载后裂隙扩展而导致的新损伤,对具有初始损伤的岩石蠕变特性进行全面描述。根据不闭合结构面应力与法向变形之间的关系,提出裂隙岩石塑性变形体元件,描述岩石蠕变过程中的瞬时塑性变形。引入初始损伤影响因子,建立具有初始损伤的岩石损伤变量演化方程,构建模拟岩石加速蠕变的蠕变损伤体元件。将裂隙岩石塑性变形体和蠕变损伤体与描述瞬时弹性变形和黏弹性变形的广义开尔文模型进行串联组合,形成能够反映具有初始损伤的岩石瞬时弹-塑性变形、稳定蠕变和加速蠕变的蠕变全过程本构模型,提出了进行少量蠕变试验既能解析模型参数的方法,在不同应力水平下模型理论曲线与蠕变试验曲线吻合。     

Q_2黄土流变特性及其统计损伤流变模型

通过对西安地区不同湿度原状Q2黄土的单轴蠕变试验和三轴蠕变试验,得到了Q2黄土的单轴、三轴蠕变曲线和应力-应变等时曲线。试验曲线分析表明,Q2黄土具有明显的非线性流变特性。Q2黄土的粘弹性特性可采用五元件广义的Kelvin模型来描述,其线性粘塑性特性可用与一滑块并联的Maxwell模型来描述,而非线性粘塑性特性可通过损伤与塑性应变的耦合作用来反映。在考虑损伤门槛值的统计损伤及黄土粘弹塑性组合模型的基础上,应用应变等效原理,建立了考虑瞬时损伤的统计损伤流变模型,并通过拟牛顿法确定了相应的模型参数。该模型能够很好地模拟黄土流变非线性特征,该模型不仅参数较少,而且适用性较广。     

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model, PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。     

水-岩化学作用等效裂纹扩展细观力学模型

从化学腐蚀下岩石细观结构的变化出发,研究水化学溶液对岩石中裂纹的腐蚀作用。运用地球化学矿物-水反应的溶解动力学,考查水-岩反应化学溶液中不同时间段离子浓度的变化,从理论上探讨化学腐蚀下等效裂纹扩展的定量化分析方法。通过质量守恒定律计算出裂纹在迹长及隙宽方向的变化,将水化腐蚀等效成有效裂纹长度,建立了水-岩化学作用下等效裂纹扩展的计算公式并计算应力强度因子。通过对砂岩的研究结果表明,水-岩化学作用对岩石裂纹的扩展有显著影响,并且具有时间效应。同时,水化学溶液的离子浓度及pH值大小对裂纹的扩展存在影响,其中pH值的变化对岩石的断裂力学效应更加显著。当溶液的酸性越强或碱性越强,腐蚀越大,裂纹扩展越快;pH值为中性时,腐蚀作用得到较大缓解,裂纹发展缓慢。为定量研究裂隙岩体在水岩化学作用下的细观机理提供了一种新的思路。     

水化学作用对砂岩抗剪强度特性影响效应研究

开展了不同水化学溶液侵蚀条件下砂岩的抗剪强度试验,分析了水化学作用对砂岩微细观结构的影响效应,探讨了砂岩的水化学损伤机制。在此基础上,分析了水化学作用对砂岩抗剪强度的影响规律。通过引入岩石水化学损伤度,定量表达了砂岩抗剪强度参数随水化学损伤的演化过程,并采用化学动力学方法,模拟在给定水化学环境条件下重庆砂岩损伤度随时间演化过程,进而预测其抗剪强度参数演化规律。所得结果为定量化研究水化学作用对岩石物理力学特性的影响效应及预测与水化学作用相关的岩土工程的安全性和稳定性提供了良好的借鉴作用。     

水-岩作用下粉砂质泥岩含水损伤本构模型

软岩遇水具有显著的劣化效应,以往研究主要集中于软岩的流变特性,对水-岩作用下软岩的含水损伤研究较少,但水-岩作用下软岩的含水损伤效应对工程建设的指导至关重要。因此,以滇中地区粉砂质泥岩为研究对象,对干燥状态、天然含水率和饱水条件下的粉砂质泥岩试样进行三轴压缩蠕变试验。试验结果表明:（1）不同含水率试样在初始加载阶段产生的应变量均远大于后期逐级加载阶段的应变增加量,且随着含水率的增加初始加载蠕变量逐渐增大;（2）随着含水率的提升,最终蠕变量逐渐增加,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值逐渐降低,长期强度也显著降低。根据试验结果,基于损伤理论,引入一个非线性黏塑性体考虑含水情况对蠕变的影响,提出基于经典Burgers模型并具有水-岩作用劣化特征的含水损伤蠕变本构模型。通过1stopt软件辨识参数,并验证了模型的准确性和可适性。研究结果对于滇中红层软岩的含水损伤特性研究提供了一定的参考。     

考虑温度损伤的盐岩蠕变本构关系研究

根据统计力学原理,以分形岩石力学为桥梁,对盐岩在温度与应力耦合作用下蠕变特性进行了研究,导出了考虑围压效应的损伤变量表达式。综合前人的成果,推导出温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。对盐岩在温度与三轴应力共同作用下的蠕变试验数据进行研究,分析了盐岩蠕变过程中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的各自特征。对于广义Bingham 蠕变模型在衰减和稳态蠕变阶段引入一非线性函数,在加速蠕变阶段引入损伤,建立了盐岩考虑温度损伤的蠕变本构关系。利用盐岩的三轴蠕变试验数据对新的蠕变损伤模型参数进行辩识与比较分析。结果表明,该模型能够很好地反映在不同温度作用下盐岩的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的规律,验证了该模型的合理性和正确性。     

软岩非线性蠕变损伤模型及其试验研究

为了反映软岩蠕变全过程,进行红层泥岩蠕变力学试验,试验发现弹性模量随时间的增长而逐渐衰减,黏滞系数在应力恒定且并未达到屈服应力的情况下,随时间的增长而逐渐增大。因此认为传统理论流变力学中的蠕变损伤处理方法不适用于将黏滞系数进行损伤演化,故引入分数阶微积分来描述软岩蠕变的黏弹性和黏塑性应变。通过构建一个考虑蠕变时效损伤的弹性体,并将其与基于分数阶微积分的黏滞和黏塑性体进行串联,从而建立一个新的非线性蠕变损伤模型。依据红层泥岩和相关文献中冻结软岩及红砂岩的蠕变试验数据,通过该软岩蠕变损伤模型对其进行辨识,充分显示出所建模型的合理性和适用性。     

冻结红砂岩非线性蠕变模型的研究

对-10℃的冻结红砂岩进行了单轴蠕变试验,应力水平依次为0.36、0.45和0.54,发现当应力水平为0.36和0.45时,红砂岩蠕变为稳定蠕变,当应力水平为0.54时,蠕变为不稳定蠕变。应力水平越高,蠕变达到稳定的时间越长。对蠕变曲线的导函数进行分析,发现红砂岩不稳定蠕变的加速阶段门槛值为13 h。通过对实测数据的拟合,得到了3个应力水平下红砂岩蠕变的经验方程。由开尔文体、改进麦克斯韦尔体和改进陈沅江体串联组成了理论模型,并得到了模型参数,理论曲线与实测曲线吻合较好,能够较好地反映冻结红砂岩的蠕变规律。试验结果为采用冻结法施工的矿井评价冻结壁的稳定性提供了相应的参考。     

北疆侏罗系与白垩系泥质砂岩物理力学特性对比分析及其能量损伤演化机制研究

特殊的地理、气候条件及工程地质的复杂性决定了在北疆地区软岩地层中修建引水隧洞的设计施工难度较大。隧洞成拱效应与围岩自稳能力差,围岩渗透性强,遇水软化特性显著,极易产生软岩大变形甚至坍塌失稳灾害。为进一步研究北疆地区侏罗系与白垩系泥质砂岩的物理力学性质、遇水软化特性与能量损伤演化机制,开展了二者的单轴压缩、常规三轴与单轴蠕变试验。研究结果表明：两种岩石均富含黏土矿物,白垩系泥质砂岩的粒径分配更好,但其胶结程度较差,导致其强度稳定性与地层波速相对较低。低围压条件下,两者均以环向变形与体积扩容为主,但随着围压升高,其破坏模式由体积扩张过渡到体积压缩类型。高围压加载会造成岩石内部损伤,从而导致其抗压强度的降低。遇水后,两种岩石的延塑性与应变软化特性均明显增强,白垩系泥质砂岩的遇水软化特性更为显著。白垩系泥质砂岩的蠕变特性更为显著,两者的长期强度接近其单轴压缩损伤应力值。两种泥质砂岩的能量损伤演化过程均呈现S型变化规律,侏罗系泥质砂岩的能量硬化特性更为显著,白垩系泥质砂岩会更早地进入到能量硬化与能量软化阶段。