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。     

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Burgers模型考虑损伤的非定常岩石蠕变模型

Burgers模型只能描述岩石蠕变的前两个阶段,为了描述蠕变全过程,考虑蠕变参数的时间效应及损伤带来的影响,采用非定常黏性元件取代Burgers模型中串联的定常黏性元件,使其能描述加速蠕变阶段。根据损伤变量的变化特征,假定了一个函数,经过Lemaitre应变等效原理,代入Kelvin模型可得到能描述蠕变衰减阶段的模型。试验数据拟合结果显示,改进的Burgers模型能很好地描述加速蠕变阶段,模型拟合曲线与试验曲线基本吻合,相关系数高,参数取值也在合理范围内;非定常Burgers模型更适合描述不同应力下的岩石蠕变特征曲线。     

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。     

三轴压缩蠕变试验下石英云母片岩各向异性蠕变特性研究

对石英云母片岩进行三轴压缩蠕变试验,研究丹巴水电站石英云母片岩的三轴蠕变特性及其各向异性特性。按轴向荷载与层理面关系加工成平行组和垂直组2组试件,开展分级加载方式进行不同围压条件下的蠕变试验。试验研究表明,石英云母片岩具有蠕变特性,包括瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段;采用带Kachanov蠕变损伤律的蠕变模型来描述石英云母片岩的蠕变特性,并进行蠕变参数辨识,拟合结果显示此模型能很好地描述石英云母片岩的蠕变特性;根据试验结果获得2组试件的长期屈服强度、破坏形态、瞬时变形参数和稳定蠕变速率,分析表明石英云母片岩的蠕变力学特性具有明显的各向异性特性。层理面与轴向荷载垂直的试件较层理面与轴向荷载平行的试件的强度、弹性剪切模量、体积模量和黏性系数相对较大,表现出较高的抗变形和抗破坏能力;平行组以剪切破坏为主,垂直组破坏时出现侧向鼓胀现象,显示出延性破坏的特点;2组石英云母片岩试件的瞬时应变量和稳定蠕变速率都随着应力水平的提高而增大。     

泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型研究(Ⅱ):数值仿真和参数反演

进一步分析了第Ⅰ部分[1]提出的泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型。在连续损伤力学理论和比奥(Biot)理论的基础上,导出了考虑渗流-应力-损伤耦合的蠕变损伤有限元格式,建立了弹性预测、塑性修正、损伤修正-渗透系数修正的数值分析框架,编制了非线性有限元分析程序。根据监测的衬砌长期变形数据,采用优化反分析法获得了蠕变损伤模型中的待定参数,并应用于比利时核废料库施工过程中泥岩巷道围岩渗流-应力耦合过程、损伤演化以及长期稳定性分析,研究结果表明,泥岩开挖后渗透性明显增大,约为原岩的120倍,蠕变效应导致泥岩裂隙和渗透性自愈合,约3.5年后渗透性基本恢复到原岩的数量级,围岩中部的蠕变明显大于顶部和底部。研究成果对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义。     

大理岩弹塑性耦合特性试验研究

大量研究表明,岩石经历塑性变形时其弹性参数会发生变化,即存在弹塑性耦合现象。为了研究岩石的弹塑性耦合特性,进行了两种大理岩的循环加、卸载试验。试验结果表明:与常规试验对比,循环加、卸载试验对岩石的变形、强度及破坏形态影响较小;弹性参数随塑性变形的变化显著,考虑弹塑性耦合时,弹性参数取体积模量和剪切模量更为合适;基于Mohr-Coulomb屈服准则,计算得到了强度参数,即黏聚力和内摩擦角随塑性内变量的演化规律。所得结论将为岩石弹塑性耦合本构模型的建立提供基本的试验支持。     

基于多孔介质弹性理论的碳酸盐岩地层超压预测

碳酸盐岩地层超压预测目前仍然是国内外研究的难点问题。碎屑岩超压预测方法均是建立在明显的超压测井、地震宏观响应规律基础上的经验关系,这些经验性方法不适用于因岩性致密使得超压地球物理响应微弱的碳酸盐岩地层。通过碳酸盐岩样品超压岩石物理模拟实验,分析了在应力-孔隙压力共同作用下岩石中声波速度、弹性参数的变化规律;基于多孔介质弹性理论和广义胡克定律推导并建立了表征孔隙压力与岩石弹性参数定量关系的理论模型,即多孔介质弹性理论的超压预测量化模型。以川东北地区典型碳酸盐岩超压钻井为例,开展了碳酸盐岩地层超压预测应用研究:针对碳酸盐岩地层选择油气水测井综合解释模型获取岩石物性参数;利用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型计算岩石基质体积模量,利用Wood模型和Patchy模型计算孔隙流体体积模量,利用BISQ模型计算岩石骨架体积模量,然后通过多孔介质弹性理论量化模型预测超压。预测结果显示预测压力与钻杆实测压力(DST)吻合较好,与泥浆密度换算压力和随钻监测压力变化趋势相近,表明这种基于多孔介质弹性理论的超压预测量化模型是一种解决碳酸盐岩地层超压预测的新途径。     

深层膏质泥岩蠕变特性及非线性蠕变模型研究

泥岩作为油气储层常见复杂介质,在深部高温、高压环境下蠕变力学特性异常复杂,是引起套管损伤破坏的重要因素。以深部油气藏工程含膏质泥岩为研究对象,首先开展了高温为130 ℃、高围压为30 MPa、不同偏应力水平下多试样、单级加载三轴蠕变试验。该泥岩呈显著的时效力学特性,蠕变应力阀值较低,应力和持时对蠕变特性存在显著影响,低应力、长时间作用下泥岩亦呈现明显的稳态蠕变和加速蠕变破坏,且加速蠕变起始时间随应力增加呈指数降低关系。其次探讨了泥岩加速蠕变和强度损伤特性,提出了蠕变损伤起始时间概念,认为泥岩内部蠕变损伤变量可用指数函数予以描述。最后,基于蠕变损伤变量和起始时间,构建考虑泥岩加速蠕变的非线性改进Burgers蠕变模型,对蠕变参数开展辨识和分析,所选模型可准确地对深层膏质泥岩蠕变特性进行描述。研究成果旨在为深部泥岩油气藏套管工程长期稳定分析及安全评价提供可靠的依据。     

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。     

孔隙水压力对锯齿状结构面剪切蠕变特性的影响

为探究孔隙水压对岩体结构面剪切蠕变特性的影响,自主研制了结构面一体化制作模具和多功能剪切流变仪,开展了孔隙水压力下锯齿状结构面的剪切蠕变试验,分析了孔隙水压对结构面蠕变变形、蠕变速率和长期强度的影响。试验结果表明：不同孔隙水压力下的结构面先后经历了瞬时变形阶段、减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段,并且孔隙水压力的增大促进了结构面非线性特征的发展;随着孔隙水压力的增大,结构面瞬时位移、蠕变位移和稳态蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低的趋势。根据试验结果,考虑孔隙水压力对模型参数的影响,将蠕变模型中的瞬时剪切模量、黏性剪切模量以及黏性系数替换为孔隙水压力的函数,构建了能够反映孔隙水压力影响的结构面蠕变模型,并对模型参数进行辨识,将试验曲线和理论模型曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。研究成果对富水区岩体长期稳定性分析提供一定的理论指导。     

深部围岩流变特性试验研究及其模型辨识

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300m东大巷二煤层底板粉砂岩进行了单轴蠕变特性试验,详细探讨了轴向蠕变变形特征,蠕变速率与时间和应力水平的关系,瞬时弹性模量和变形模量变化特征.试验结果表明,当应力水平低于岩石的长期强度时,粉砂岩只发生衰减蠕变,应力水平对蠕变速率变化的影响不明显;当应力水平高于岩石的长期强度时,岩石等速蠕变阶段明显.对流变试验数据进行深入分析的基础上,进行了流变模型辨识和基于最小二乘法的参数确定.根据不同应力水平下加卸载过程中岩石的蠕变特点,提出了采用改进的两原模型模拟岩石的蠕变特性.模型计算结果表明,改进后的西元模型既能够较好地描述低应力下的衰减蠕变,又能较精确地描述高应力下岩石的衰减蠕变和等速蠕变特性.     

An improved hardening-damage creep model of lean coal: a theoretical and experimental study

Creep is an important rheological behavior of coal, impacting pillar stability, gateway support performance, and construction costs in underground mining. It is of great significance to study the creep mechanism of coal to prevent creep failure. In this paper, uniaxial compressive creep tests of raw lean coal under multiple stages are conducted, the increasing instantaneous elastic modulus and decreasing viscosity coefficient are calculated to analyze the hardening-damage creep mechanism of coal, and some new conclusions are as follows. When the stress is low, the hardening effect exists, and coal strain shows an instantaneous response. At high stress, both the damage effect and hardening effect work and coal strain shows time-dependent transient creep and steady creep. During multistage creep, coal is first hardened, then weakened, and finally fails due to well-developed cracks. Based on the strain evolution laws of lean coal at different stress levels, an elastic viscous-plastic model is established, and the hardening function and damage function are introduced into the model to obtain an improved hardening-damage creep model. This model is used to fit the creep data, and the model curves match the testing data very well, showing much better accuracy than other models. This model is simple with clear physical meanings of the elements and can reflect the nonlinear hardening-damage creep of raw lean coal under uniaxial compression very well.     

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。     

层状含水页岩蠕变特性试验研究

为分析层理和水对页岩的蠕变特性影响,室内制取0°、30°、60°、90°和不含层理5种页岩,每种层理页岩均处理成干燥、自然、不饱水、饱水4种含水状态,对其进行单轴压缩下的蠕变试验。试验结果表明,（1）层理角度和含水率对页岩的蠕变特性均有较大影响。同一含水率下随层理角度的增大,页岩的初始瞬时弹性呈指数式减小,瞬时弹性模量成指数式增加。相同层理角度下,随含水率升高,页岩的初始瞬时弹性应变线性增长,瞬时弹性模量线性下降;（2）采用含有弹性元件、黏性元件及开尔文体的“伯格斯”蠕变模型对页岩的蠕变过程进行描述,并对模型的参数进行了反演和验证,表明该模型能够较好地反映页岩的蠕变特征。根据试验所得层理和水对页岩蠕变变形的影响规律,通过瞬时弹性模量和黏性系数与层理角度和含水率的拟合关系,将蠕变模型中的瞬时弹性模量和黏性系数替换为层理倾角和含水率的函数,构建了能够反映页岩层理和含水率的蠕变模型。     

刚性承压板下深部岩体压缩蠕变参数反演

为获得岩体深部的压缩蠕变力学参数,进行了现场刚性承压板中心孔变形试验。推导出了圆形刚性承压板在均布荷载作用下中心孔深部岩体广义Kelvin模型的瞬时弹性变形。基于黏弹性理论,经过拉普拉斯变换和逆变换,进一步得到了黏弹性变形的计算公式。采用了以瞬时弹性模量、黏弹性模量和黏弹性系数为反演值的迭代优化反演法,并将计算公式程序化。该方法应用于一大型水电站坝区边坡工程,有效获得了坝区软弱岩体深部的压缩蠕变力学参数,克服了以往仅以岩体表面位移进行力学参数反演的缺陷。     

冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型

冻融交替对岩石宏观强度产生弱化。基于冻融循环条件下的压缩试验结果,利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化,建立岩土材料的损伤模型。结果表明:随着循环次数的增加,砂岩的力学强度参数均逐渐减小,抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到49.70%、83.40%,意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著;定义岩石综合损伤变量,得到损伤演化特征曲线,基于高斯函数变化特征,构建冻融循环条件下材料损伤本构模型,对比分析试验与模型曲线,发现该模型能够较好地描述试验结果。基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征,研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考。