流变学基础模型的地质应用及启示

地质作用经常是流变过程,岩石经受长时间应力作用可以在小应力条件下产生大变形。地质作用具有充分漫长的时间,所以野外露头成为研究天然流变学最好的现场,流变学理论在力学中自19世纪下半叶以来已经有迅速的发展,但用于解释地质作用的文献仍然很少。文中介绍一个基本粘弹性模型--马克斯威尔模型作为描述岩石变形的实例,同时给出应变与应力和时间三者的本构关系。代入真实岩石的“E”值和“η”值,获得了岩石的“马克斯威尔松     

基于微观力学特性的脆性岩石变形过程模拟

为了建立能够描述岩石宏观变形及其组成部分的变形模拟方法,考虑微缺陷的不均匀性对岩石宏观变形产生的影响,将岩石视为由空隙部分材料和骨架部分材料两部分组成。首先,基于岩石各组成部分材料变形分析,利用真应变描述方法及非线性变形的特点建立空隙部分材料的变形力学分析方法,同时,引入统计损伤以及固体力学理论建立骨架部分材料的变形力学分析方法。然后,通过岩石及其组成部分的变形力学分析建立岩石宏观变形力学分析方法,从而获得能够模拟岩石变形破坏全过程的统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后,将文中模型与既有模型的理论曲线与试验曲线进行了对比分析,且基于文中模型对岩石及其组成部分变形进行了讨论。研究结果表明：文中模型不仅能反映既有模型所描述的主要变形特征,还能克服其难以较好地反映初期宏观变形非线性的不足;同时,该模型还能描述岩石组成部分的变形过程,不仅揭示了岩石宏观变形与其组成部分变形之间的关系,也揭示了空隙部分材料变形是引起岩石宏观变形非线性的根本原因。表明本文模型与方法具有一定的合理性与优越性。     

流变学基础模型的地质应用及启示

地质作用经常是流变过程,岩石经受长时间应力作用可以在小应力条件下产生大变形。地质作用具有充分漫长的时间,所以野外露头成为研究天然流变学最好的现场,流变学理论在力学中自19世纪下半叶以来已经有迅速的发展,但用于解释地质作用的文献仍然很少。文中介绍一个基本粘弹性模型——马克斯威尔模型作为描述岩石变形的实例,同时给出应变与应力和时间三者的本构关系。代入真实岩石的“E”值和“η”值,获得了岩石的“马克斯威尔松弛时间”,约为1012s,约合3.2万年,这意味着使应力经松弛降低到某一明显程度和使应变经蠕变增加到某一明显程度在数量级上至少需要10万年以上。     

岩石动、静弹性模量关系探讨

岩石的弹性模量是描述岩石变形性质的重要指标。测定岩石弹性模量的传统方法是静力法,该法的理论基础是虎克定律,通常用电阻应变仪法、千分表法和杠杆引伸仪法等测得岩石的静弹性模量E_s。这些方法试验程序繁琐,试件加工精度要求高,旦受试件端面效应的影响。动力法测定岩石的弹性模量(称动弹性模量E_d)是采用应力波传插理论     

香肠构造流变计的超微观构造依据

在同一场变形过程中 ,由于岩石之间、不同地质层块之间的流变学差异 ,会引起牛顿流和非牛顿流的扰动 ,这种扰动以构造变形的方式保存下来。通过理论研究和模型实验 ,我们可以利用保存在天然岩石中的构造形迹或应变型式 ,反演形成这些构造变形时所处物理化学条件下的岩石古流变参数。这类采用构造形迹或应变型式来反演岩石流变性质的方法 ,国外学者称为流变计。目前已提出的构造流变计主要有香肠构造流变计、能干层褶皱流变计、应变折射流变计等 ,其中香肠构造流变计的研究程度较高。Ｆｌｅｔｃｈｅｒ (1974 )和Ｓｍｉｔｈ (1977)推导出幂率…     

广义混合律及其在地球材料流变学中的应用

本文总结了广义混合律的基本特征，并以具弱相支撑结构的固液相悬浮液（岩浆）和具强相支撑结构的多孔材料（玄武岩、砂岩或部分熔融岩石）为例，系统地介绍了广义混合律在预测多矿物岩石或复合材料弹性力学或流变学性质随组分性质、体积分数和显微构造而变化的应用。广义混合律与现存理论的紧密吻合以及对多矿物岩石和复合材料力学性质描述的准确性绝非偶然，隐藏其后必有尚未人知的物理基础。严格的理论证明极可能是数学力学上富于挑战性的课题。     

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。     

岩石流变及研究进展

岩石流变学研究的内容主要有:流变试验、本构模型、时效强度及其工程应用等.岩石流变学已成为岩石力学中的一个重要分支,对岩石流变学的研究将具有十分重要的现实意义.     

大陆下地壳麻粒岩的流变学研究进展

大险下地壳麻粒岩的流变学研究可以解释地壳变形、壳幔物质交换以及岩石圈深部动力学过程等科学问题.前人通过研究各矿物的显微构造变形特征与变形机制,运用广义混合流变律探讨多矿物复合岩石的流变性质,结合水与流体对岩石变形强度的弱化作用,阐明在大陆下地壳变形环境下复矿麻粒岩的塑性变形和韧性流变性质.目前人们致力于对天然变形岩石和...     

岩石卸荷力学特性的理论研究

采用卸载状态岩石的力学参数和相应的强度准则,描述卸荷岩体的力学性质可能存在一些不足之处。为了能够从理论上更准确地分析卸荷岩体的力学性质,从弹性应变能出发对卸荷岩体力学性质的演化进行了探讨,研究了岩体的开挖卸荷与卸荷试验中试样初始损伤程度的不同之处和弹性应变能、应力偏量第二不变量、应力张量第二不变量和泊松比内在关系,简要地分析了现有强度准则在描述卸荷岩体力学性质方面的不足之处。以弹性应变能为基础采用加载状态的岩石力学参数,对岩石的卸荷力学特性进行了理论分析与试验验证。结果表明,现有的大多数强度准则难以描述试样卸荷破坏时强度特征,且可能存在不满足能量守恒定律的情况;基于弹性应变能强度准则既可得到表征卸荷破坏时岩石的强度提高,又可以描述强度的减小。文中分析了产生上述结果的本质机理。     

Analytical Solutions for the Construction of Deeply Buried Circular Tunnels with Two Liners in Rheological Rock

The construction of underground tunnels is a time-dependent process. The states of stress and strain in the ground vary with time due to the construction process. Stress and strain variations are heavily dependent on the rheological behavior of the hosting rock mass. In this paper, analytical closed-form solutions are developed for the excavation of a circular tunnel supported by the construction of two elastic liners in a viscoelastic surrounding rock under a hydrostatic stress field. In the solutions, the stiffness and installation times of the liners are accounted for. To simulate realistically the process of tunnel excavation, a time-dependent excavation process is considered in the development of the solutions, assuming that the radius of the tunnel grows from zero until its final value according to a time-dependent function to be specified by the designers. The integral equations for the supporting pressures between rock and first liner are derived according to the boundary conditions for linear viscoelastic rocks (unified model). Then, explicit analytical expressions are obtained by considering either the Maxwell or the Boltzmann viscoelastic model for the rheology of the rock mass. Applications of the obtained solutions are illustrated using two examples, where the response in terms of displacements and stresses caused by various combinations of excavation rate, first and second liner installation times, and the rheological properties of the rock is illustrated.     

角闪斜长片麻岩流变力学特性研究

为了解小湾水电站枢纽区角闪斜长片麻岩的流变力学特性,采用岩石全自动三轴流变伺服仪对角闪斜长片麻岩进行三轴流变力学试验。试验结果表明,强度较高的角闪斜长片麻岩会发生流变现象,尤其在高应力水平条件下,其流变特性明显;外荷载超过岩样的长期强度时,随着时间的逐渐增加试样变形经历典型流变3个阶段,并最终加速流变破裂。依据岩样稳态流变阶段的流变速率与应力水平的关系,提出了一种确定长期强度的方法。在Burgers流变模型中加入统计损伤,并用Mohr-Coulomb准则确定的岩石长期强度作为开始进入非线性加速流变阶段的阀值,得到相应的非线性损伤流变模型。利用岩石全程三轴流变试验结果,采用优化后的算法,对非线性损伤流变模型相应的参数进行了辨识,结果表明,建立的岩石统计损伤非线性流变变模型与流变试验结果吻合较为理想,可以较为准确地反映角闪斜长片麻岩的流变力学特征     

伯格斯模型参数调试与岩石蠕变特性颗粒流分析

岩石作为地下工程的主要研究对象,其物质组成和所赋存的复杂地质环境使其具有明显的流变特性。基于三维颗粒流程序(PFC3D),采用由开尔文模型和马克斯伟尔模型串联组成的伯格斯（Burgers）流变模型,通过控制变量法,分析了伯格斯模型中弹性系数(Em和Ek)、黏性系数(?m和?k)和摩擦因数f对瞬时强度特性和流变特性的影响;分析得出数值试样的瞬时强度特性主要受马克斯伟尔体弹性系数Em和摩擦因数f影响：弹性模量和单轴抗压强度与Em和f均呈正相关,泊松比与Em呈正相关,与f呈负相关;而流变特性与各参数均呈现负相关性。在此基础上,进行了红页岩分级增量蠕变试验的模拟,通过与室内蠕变试验结果的对比,验证了PFC3D中的伯格斯模型用于岩石蠕变试验模拟的可行性,并将该方法用于分级增量循环加卸载蠕变试验和三轴蠕变试验数值研究。该研究内容是利用离散单元法研究岩石流变特性的一种新的尝试。     

构造流变计

根据构造形迹和应变式反演岩石流变性质的方法称为构造流变计,或简称流变计。目前提出的流变计主要有应变折射、能干层褶皱香肠构造、残斑翼尾样式。应变折射、能干层褶皱和香肠构造流变计已进入量化阶段。构造流变计 可用于研究不同尺度地质体的流变结构,也可用来研究地质体的流变学演化,具有很好的发展前景。     

龙滩水电站泥板岩剪切流变力学特性研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站泥板岩进行了剪切流变试验,分析了泥板岩剪切位移随时间的变化规律,探讨了不同应力状态下剪切流变速率的变化趋势,讨论了岩石剪切强度随时间的变化规律。将非线性流变元件(NRC模型)与西原模型串联起来,建立了新的能够描述加速流变特性的岩石非线性流变模型。采用泥板岩剪切流变试验曲线,对建立的黏弹塑性剪切流变模型进行了辨识,获得了岩石黏弹塑性剪切流变模型的材料参数,流变模型与试验结果的比较显示所建模型的正确性与合理性。     

干热岩地热能研究与开发的若干重大问题

在大陆动力学和地球系统动力学创新思想指导下, 干热岩地热能的开发将对未来的能源革命和工业革命起到关键的作用, 然而目前干热岩地质理论研究十分薄弱.从地质学和经济学的角度讨论干热岩的定义; 以大陆盆山热构造系统为基础, 提出地热能综合分类方案; 根据岩石流变学和构造物理学理论, 探讨在固态、半固态流变环境下干热岩的构造岩石系统; 在活动盆山构造系统地壳四维非均匀流变思想指导下, 探讨干热岩的分布规律和形成机理; 提出将地球系统动力学的思想贯穿到干热岩及其关联的资源、灾害、环境、工程地质的调查研究与应用的各个环节之中, 并建议在华北、青藏高原及其邻区、东南沿海、台湾4种不同类型的热构造活动区进行联合勘查、综合评价与系统开发.      

盐岩流变损伤特性及本构模型研究

借助盐岩单轴流变-声发射试验,分析了流变3个特征阶段与声发射事件数的对应关系,并基于Weibull分布构建了声发射事件数随加载时间的关系式,进而获得了损伤变量的演化关系式。对盐岩流变-声发射试验及流变-超声波试验数据拟合分析表明,该损伤变量表达式具有很好的适用性。进一步对损伤表达式中的参数进行了敏感性分析,揭示了形状参数、尺度参数对损伤值的影响规律。引入分数阶微积分理论及损伤理论,构建了基于损伤的Abel黏壶本构关系,通过替代西原模型中Newton黏壶的方法,求解获得了盐岩分数阶流变本构模型。由盐岩单轴流变试验曲线拟合分析可知,分数阶流变模型能很好地描述盐岩流变的3个特征阶段,尤其是加速流变阶段,且验证了西原模型为分数阶流变模型的一种特殊形式。     

基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验

采用软岩相似材料进行了2种不同流变加载方式下的单轴流变损伤破坏试验,并通过超声检测技术获得了软岩在各级流变阶段的超声信号。试验结果表明:软岩相似材料具有强烈的黏、弹、塑性变形特征,选用西原模型对软岩各级流变过程进行模拟较为合适;当应力达到或超过软岩试件单轴抗压强度的80%时,纵波波速曲线才会在流变过程中持续下降,出现可检测损伤迹象,而首波振幅曲线波动大,检测结果不准确;以波速定义损伤变量,得到了软岩流变过程损伤演化曲线。试验结果能为软岩工程长期流变下的结构稳定性提供依据。      

加锚岩体流变特性及锚固控制机制分析

通过室内蠕变试验和理论分析,对加锚改善岩石流变力学特性进行了研究,并探讨了锚固控制岩石流变的力学机制。采用RLJW-2000型流变试验机,对红砂岩及其加锚试件进行分级加载（100 h以上）单轴压缩试验,结果表明,加锚后岩石的流变应力阀值提高了20%～30%? c,且不同应力水平流变量均能得到一定控制,加锚使试件的长期强度增加了5%～10%? c。此外,基于整体协调变形原理,建立了加锚体流变本构方程,推导出了一维B-K模型解答,算例分析表明,锚杆密度越大,对岩石流变控制效果越好,得出锚杆等效刚度是约束岩石流变的主导因素,但从技术经济角度考虑,锚杆支护密度与岩石流变参数之间存在一个合理的匹配区间。研究结果对长期使用的岩体工程锚固支护设计提供了理论依据。