单轴压缩下绿砂岩长期强度的尺寸效应研究

岩石的蠕变特性是影响岩体工程稳定性的重要因素,而岩石的长期强度是确定岩体工程长期稳定的一个重要指标。由于岩石材料的非均质性,其长期强度具有明显的尺寸效应。为了研究岩石长期强度的尺寸效应,首先,在幂函数模型基础上,基于损伤力学理论,建立了能够描述岩石蠕变全过程的非线性蠕变损伤模型;然后,把运用该模型计算得到的单轴压缩蠕变数值模拟结果与室内单轴压缩蠕变试验结果进行对比,验证了模型的正确性;最后,采用所提出的模型对7个不同尺寸的岩样进行了单轴压缩蠕变数值模拟,并对岩石长期强度尺寸效应进行了分析。数值模拟结果表明：随着试样尺寸的逐渐增大,岩石长期强度值逐渐减小,当试样尺寸增大到一定程度时,岩石长期强度稳定在一个特定值附近。     

泥质砂岩蠕变特性与锚固控制效应试验研究

通过泥质砂岩单轴压缩蠕变试验,揭示岩石蠕变变形与破坏的特点,反映了不同应力路径下的岩石蠕变速率与发展过程,建立了泥质砂岩的非线性蠕变模型,并通过对试件施加侧向刚性约束和锚固约束,以反映地下工程围岩在平面应变状态和支护状态下的蠕变特性。研究结果表明,锚固约束可以显著提高岩石发生稳定蠕变的应力阀值,减缓蠕变速率。根据改进的蠕变方程进行试验数据的拟合,确定了改进的西原模型蠕变方程中的各物理量。与单轴蠕变试验结果对比表明,该模型的计算结果与试验数据吻合较好,说明改进的西原模型可较好地反映岩石加锚后的蠕变特征。研究结果对深部地下工程围岩的变形与稳定控制研究具有重要的指导意义。     

岩石粘弹塑性模型的研究

根据岩石粘聚力在流变中的作用提出了新的流变机理,建立了新的一维粘弹塑性本构模型,推导了相应的一维蠕变本构关系和相应的一维松弛本构关系,并对蠕变实验结果进行了模拟,结果表明该模型能够反映岩石流变的全过程和模拟岩石蠕变中的第三蠕变,可以避免建模中的模型识别过程,反映岩石流变的机理,物理意义明确,适用范围广。实验证明该模型是合理的。     

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。     

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

在岩石破裂过程分析（RFPA2D）系统的基础上,考虑岩石损伤过程的时间因素影响,引入岩石细观单元蠕变本构方程,建立了考虑流变效应的岩石破裂过程RFPA2D数值模型。应用该模型模拟了恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程,得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,模拟结果同实验室试验所观察到的现象十分吻合。这表明考虑流变效应的RFPA2D数值模型适用于模拟岩石的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。此外,数值模拟还揭示了岩石的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果,这些结论对岩石工程的长期稳定性研究具有重要的理论指导和实践意义。     

基于改进Bingham模型的软岩参数非定常三维非线性黏弹塑性蠕变本构研究

传统线性元件组合模型难以描述岩石非线性加速蠕变阶段特性,给工程应用带来了巨大困难。提出一种新的应变触发非线性黏壶元件,并将其与Bingham模型串联,建立了可以描述岩石等速和加速蠕变特性的一维本构模型,进而推导出相应的三维蠕变本构模型,再将三轴压缩过程中岩石弹性模量的衰减方程引入该三维蠕变本构方程,得到一个能反映岩石蠕变全过程特性的三维非线性黏弹塑蠕变本构模型,根据泥岩蠕变试验数据对该模型参数进行了辨识。模型理论计算值与泥岩蠕变试验数据的对比表明改进的Bingham模型不仅可以充分反映软岩的等速蠕变特性,还可以很好地描述软岩的衰减和加速蠕变规律,且模型元件少,组合形式简单,为软岩非线性蠕变本构模型研究提供了新的借鉴。     

岩石内变量蠕变模型研究

通过一系列砂岩、页岩和辉绿岩室内蠕变试验,获得了不同应力和初始应变状态下岩石蠕变特性。通过误差分析讨论了计算蠕变速率时如何选择时间增量。讨论了复杂加、卸载条件下时间相关蠕变模型的局限性,提出采用不可恢复应变作为内变量来描述复杂条件下岩石蠕变性质,并据此提出了岩石的内变量蠕变模型。试验数据与模型拟合结果对比表明,内变量蠕变模型较好地反映了3种岩石的蠕变行为。此外,还初步讨论了模型在岩石率相关性质研究中的适用性,并利用相关试验数据进行了验证。     

基于西原加速模型的煤体蠕变特性试验

为克服传统西原模型无法描述煤体加速蠕变特征的缺陷,针对煤体加速蠕变阶段中黏-弹-塑性流动特征,利用一个非线性的黏-弹-塑性模型来代替传统西原体模型中的理想黏-塑体,得到改进的西原加速模型,并推导该模型在等围压三轴条件下的蠕变方程。通过开展煤样三轴蠕变试验,采用模型辨识的方法,利用改进的西原加速蠕变模型对煤体蠕变试验数据进行了拟合分析。结果表明,拟合结果与试验数据基本吻合,较好地反映出了煤体非衰减蠕变特征;并对改进模型的稳定性进行讨论,加速蠕变模型中的弹性模量E₃具有明确的物理意义,可将E₃<0作为煤体发生蠕变失稳的判断依据。      

千枚岩的剪切流变特性研究

蠕变性和时效特征是岩石的固有力学属性。岩石的流变特性是解释和分析一些地质构造现象、岩体变形破坏以及岩体长期稳定性预测的重要依据。通过对千枚岩沿片理面的剪切流变试验研究,建立千枚岩流变本构模型;并在此基础上,采用伯格斯体模型对该岩石力学参数进行了拟合分析,获取千枚岩沿片理面的长期强度及剪切蠕变本构方程,为该类岩体流变分析与计算提供了理论依据。     

单一滑面边坡的非稳定蠕变模型分析

对单一滑面边坡的非稳定蠕变分析是边坡稳定性研究的基础。文中对岩质边坡单一滑面的流变变形机制进行了分析，提出了一种能较好反映这一变形机制的非稳定蠕变模型。特别是描述单一滑面边坡的非稳定蠕变破坏阶段，并对其稳定性进行了讨论。结合一些工程实例进行了对比验证，为滑坡灾害的预测和防治提供依据。     

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。     

An elasto-viscoplastic model for soft rock around tunnels considering overconsolidation and structure effects

When evaluating the long-term stability of existing tunnels, the creep behavior of soft rock around the tunnel should be properly considered. It is also important to understand the failure mechanism of soft rock when designing the mitigation and remediation of the failure around a tunnel. In this paper, an elasto-viscoplastic model is first modified so that the overconsolidation effect and the structure effect of soft rock can be considered. Then, the performance of the modified model is confirmed with drained triaxial compression tests and creep tests on a manmade rock produced with gypsum and diatom clay. Based on the modified model, finite element analyses are conducted to simulate the model tests of an existing tunnel constructed within manmade rock. Two kinds of model tests are simulated: one is loading failure test and the other creep failure test. The good agreement between the numerical results and the test data validates the performance of the modified constitutive model and the applicability of the corresponding FEM for evaluating the creep failure behavior of an existed tunnel constructed in soft rock.     

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。     

温度周期作用下大理岩三轴蠕变试验与理论模型研究

为了解温度周期作用对大理岩蠕变力学特性的影响,采用温度-应力-渗流耦合的岩石力学三轴流变试验系统对大理岩进行了不同温度及温度周期变化下三轴压缩蠕变试验。基于试验结果,研究了大理岩试样在不同温度及温度周期变化下轴向应变随时间的变化规律,分析了不同温度及温度周期变化下蠕变的变形机制,掌握了温度对大理岩三轴蠕变影响的基本规律,并且建立了考虑温度及温度周期变化影响的改进的Burgers模型。理论值与试验结果非常接近,表明考虑温度及温度周期变化的改进Burgers模型适合描述大理岩的黏弹性蠕变特征。为长期暴露于外部环境下的岩质边坡的长期稳定性分析提供了重要的参考依据。     

基于分数阶微积分的改进西原模型及其参数智能辨识

传统西原模型难以描述岩石的非线性加速流变特性,根据Riemann-Liouville分数阶微积分理论,采用分数阶黏壶及非线性黏塑性体NVPB(nonlinear viscoplastic body)模型,分别取代传统西原模型黏弹性体中的牛顿黏壶及黏塑性体,提出改进的西原模型,并推导出岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程。模型采用基于流变阶段分解-粒子群-模拟退火算法相结合的智能算法对已有的试验数据进行反演,结果表明该模型能有效地反映岩石3个阶段的蠕变特征。通过对模型的敏感性分析发现,岩石的非线性渐变过程及加速蠕变阶段的快慢程度分别由分数阶导数的阶次及流变指数控制,传统西原模型是改进西原模型的一种特例。     

Nonlinear Variation Parameters Creep Model of Rock and Parametric Inversion

Traditional Nishihara model is a linear constant parameters model, and it is difficult to describe nonlinear accelerated creep characteristics of rock with this model. Therefore, an improved Nishihara model is proposed in the way of replacing, cascading elements and substituting parameters in the original model. Firstly, fractional differential elements are used to replace viscous elements in the traditional Nishihara model; then a viscous plastic element with assumption exponential relationship between the rock nonlinear rheological deformation and time power function is cascaded; finally, the viscosity coefficient of the traditional model is rewritten to a variable parameter related to stress and time, thus obtaining the nonlinear variation parameters creep model of rock. The improved model is verified with data from creep test to frozen soft rock during Cretaceous period, which shows that this model can describe the rock nonlinear accelerated creep characteristics more accurately and more comprehensively.     

Rock dilatancy in uniaxial tests

SummaryRock Dilatancy in Uniaxial Tests A procedure to find an elastic/viscoplastic constitutive equation able to describe rock dilatancy in uniaxial unconfined creep tests is given starting from experimental data. The influence of the loading rate on the rock dilatancy can also be described with this model. It is shown that a creep of the volume takes place during tests and that this volume creep has the following property: the volume strain is oscillating before ariving at its final stable value. This property is described by the proposed mathematical model using a variable viscosity coefficient which may change sign. According to the model the volume creep takes place during loading only.With 5 Figures     

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。     

基于承压板试验的岩体蠕变参数反演统一解析公式法

由于岩体性状的复杂性和多样性,现场试验是进行岩石力学研究的重要手段。以往的现场承压板试验,由于试验条件的限制,试验荷载的设定将使岩体蠕变呈衰减蠕变形态,却难以反映岩体的等速蠕变和加速蠕变。坝基软弱岩体的力学特性是影响大坝及地下结构长期稳定性的重要因素。通过对坝基软弱岩体现场承压板试验曲线中表现出的衰减蠕变和等速蠕变两阶段特性,辨识了蠕变模型。并推导了刚、柔性承压板深部岩体的黏弹性一般解,给出了Maxwell模型、广义Kelvin模型、Burgers模型的黏弹性位移的统一表达式。结合试验数据,以理论解析反演法得到相关的蠕变参数,为以后的坝基长期稳定性计算奠定基础。     

土石混合体填筑路堤中的非线性蠕变模型探析

针对土石混合体填筑路堤工后沉降的非线性蠕变特性,提出了一种能考虑材料非线性黏弹性变形的蠕变模型。基于目前对土石混合体蠕变机理研究,将路堤工后的蠕变沉降部分考虑为非线性的衰减蠕变过程,建立了修正的Kelvin模型、广义修正模型,且得到了模型参数的识别方法;通过对修正模型分析表明,非线性常数取值对蠕变曲线变化有较大影响,修正模型的蠕变长期应变值比Kelvin模型要小;结合相关文献中对土石体填料的蠕变试验研究资料,用修正Kelvin模型对试验结果进行拟合,并对参数进行了反演,反演效果良好。修正模型的建立可为编制非线性黏弹性数值计算软件提供理论基础。