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。     

不同应力状态下软黏土蠕变特性试验研究

土的蠕变性质受到许多因素的影响,在不同的应力条件下土会呈现出不同的性状。天津滨海吹填软土同样具有一般软土的蠕变特性,以其为研究对象,利用土体三轴流变试验机进行了三轴不固结不排水蠕变试验和单轴压缩蠕变试验,并选取了10个时间节点取样进行微型十字板剪切试验,研究抗剪强度变化规律。试验结果表明,单轴压缩蠕变和三轴蠕变历时曲线都具有非线性的特征,随应力水平的提高,单轴压缩蠕变的应力-应变等时曲线向应力轴靠拢,三轴蠕变的应力-应变等时曲线向应变轴靠拢;线性蠕变变形的情况下黏滞系数主要与时间有关,非线性的情况下与时间和应力水平都相关;在三轴蠕变状态下压缩模量随时间增长而减小,长期强度随时间先降低再趋于稳定;单轴压缩时压缩模量随时间增长而提高,长期强度随时间先增长后稳定。最后经过推导得出了不同应力状态下的长期强度随时间、偏应力的函数关系式。     

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。     

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。     

石膏矿岩三轴压缩蠕变特性试验研究

石膏矿开采多采用房柱法,其蠕变特性对采空区稳定性有重要影响。以荆花石膏矿为背景,利用RC-2000微机控制岩石三轴蠕变试验机,结合具体工程情况,对荆花石膏矿岩进行围压分别为0、2.5、5.0、7.5 MPa的蠕变试验。分析了所得的蠕变试验数据,选取合适的模型对试验曲线进行拟合,利用等时应力-应变曲线簇法求得在不同围压下的长期强度。分析可知,荆花石膏矿蠕变包含衰减蠕变和等速蠕变2个阶段,轴向应力较小时只出现衰减蠕变,轴向应变增大到一定程度时将出现衰减蠕变和等速蠕变2个阶段。选择西原模型对试验曲线进行拟合结果表明,西原模型能较好地描述石膏矿的蠕变力学特性,拟合相关系数R均大于0.9;在不同围压情况下长期强度与蠕变强度的比值为0.89～0.95,即围压对长期强度的影响不大。研究结论能为石膏矿采空区的稳定性分析提供依据。     

预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究

因预应力锚索锚固力损失而导致锚固失效的工程事故屡屡发生,锚索锚固力损失与岩土体蠕变之间存在复杂的耦合效应关系,建立二者之间的耦合效应模型,确立二者之间的计算关系式,为预应力锚固工程的设计、施工、安全运行管理以及锚固力损失的控制与补偿技术提供理论基础和技术手段。通过理论分析和模型研究,在岩土体常用流变模型基础上建立了基于应变相等的耦合效应计算模型,并进行了模型验证。研究结论：（1）建立了与工程实际相符合的锚索锚固力变化和岩土体蠕变的耦合效应计算模型,正确反映了预应力锚索锚固力损失和岩土体蠕变之间的关系,推导出了其本构方程、松弛方程和蠕变方程,从理论上解决了锚固力变化与岩土体蠕变之间的计算关系。（2）通过耦合效应计算模型的蠕变方程,在材料参数已知的情况下,可以计算出边坡蠕变影响引起的锚索锚固力损失量,并结合实际工程中监测到的锚索应力数据进行对比分析,就能够准确地了解、评价锚索锚固力的异常变化情况,指导实际工程中的设计和施工,保证工程建设过程中的安全性。（3）通过耦合效应计算模型的松弛方程,可以对预应力锚索受力状态的监测数据进行分析整理,通过对锚索锚固力损失量的数据进行反分析,分析岩土体的蠕变参数,根据蠕变介质的材料特性,计算岩土体蠕变量,根据蠕变量判断预应力锚索锚固工程的安全性和可靠性,指导锚固工程的安全运行管理。     

高温冻土的蠕变特性试验及蠕变模型研究

为了研究高温冻土蠕变变形特征以及各影响因素对蠕变的作用, 分别在含水量15%、 25%及35%, 荷载100 kPa、 200 kPa及300 kPa, 温度-1.5 ℃、 -0.7 ℃及-0.3 ℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验, 分析在无侧限条件下高温冻土在不同温度、 荷载及含冰量条件下的蠕变变形特性。结果表明： 在当前试验条件下, 冻土蠕变变形非常可观, 且蠕变曲线都没有出现渐进流阶段; 温度是影响冻土蠕变的最重要的外在因素, 而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素; 在高含冰量条件下温度及荷载的改变对蠕变速率的影响非常显著, 甚至引起量级上的差别。在现有试验条件下, 高温冻土蠕变过程可利用Burgers黏弹性模型来较好地描述。     

损伤破裂砂岩单轴蠕变特性试验研究

深部岩体工程处于高应力环境中,开挖破裂后的工程岩体在持续的高地应力作用下具有很强的时间效应,深入研究其峰后蠕变特性,具有重要的理论和实际应用价值。先采用RMT-150B型岩石力学试验系统对完整岩样进行单轴峰前屈服、峰后破裂卸载试验,制备出具有不同破裂损伤程度的峰前屈服、峰后破裂的损伤岩样;再采用RLW-2000型微机伺服岩石三轴流变仪对其进行单轴蠕变试验,研究其单轴蠕变力学特性。研究结果表明：损伤岩样波速与完整岩样相比,均出现了不同程度的降低;损伤岩样各级应力水平下,瞬时应变量均是随着应力水平的增加而逐步增加,且均符合线性函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样瞬时应变明显大于峰前屈服损伤岩样;各级应力水平下,总体上各蠕变量随着应力水平的增加而逐步提高,且均符合指数函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样蠕变量明显大于峰前屈服损伤岩样,且随着荷载水平的进一步提高,两者差异程度增加;损伤岩样各瞬时变形模量随着应力水平的增加均逐步提高,两者之间符合线性函数关系;各应力水平下对应的瞬时变形模量存在明显差异,岩样损伤程度越高,瞬时变形模量越低;各损伤岩样在各级应力水平下,改进的西原模型能够较好地模拟其单轴蠕变特征。     

复杂应力下黄土蠕变特性试验研究

为了研究陕西省杨凌示范区黄土边坡的稳定性,采用改进的应力型三轴蠕变仪对所取黄土试样进行了一系列室内三轴固结不排水蠕变试验。试验结果表明：含水率、干密度、偏应力水平对黄土的蠕变特性均有较大的影响,表现为含水率一定,偏应力愈大时,黄土的蠕变变形量较小;偏应力水平一定时,含水率愈大,蠕变现象愈明显,产生的蠕变应变量愈大;其他条件相同时,干密度愈大,黄土试样的蠕变变形愈小。在黄土边坡治理工程中可通过改善边坡排水和增加边坡土体压实情况减小蠕变破坏的可能性。通过对试验数据分析得出了适合杨凌地区黄土的经验蠕变模型,通过与Singh-Mitchell模型和Mesri模型的比较发现,该模型具有精度高、参数少且易获取的优点,并能很好地描述黄土的蠕变特性。     

黏土的蠕变特性试验研究

研究了黏土的未扰动和重塑土样在三轴排水剪切试验条件下的蠕变特性。既进行了初始加载过程中的蠕变试验,也做了卸载与重复加载过程中的蠕变试验。试验结果表明：(1) 在初始加载过程中,经过一定时间蠕变后黏土的强度有很大的提高;(2) 在卸载过程中,随应力值下降黏土的蠕变表现出由正蠕变、中性蠕变到负蠕变的逐渐转化;(3) 在重复加载过程中,随应力值增加黏土的蠕变表现出由负蠕变、中性蠕变到正蠕变的逐渐转化。     

一种基于修正西原模型的冻土蠕变本构关系

冻土在高应力水平下通常会表现出加速蠕变特性。经典西原（Nishihara）模型可以反映衰减蠕变和稳态蠕变,但不适用于描述加速蠕变。通过对Nishihara模型中黏性元件进行修正,将黏弹性元件中的定常的黏滞系数修正为时间的函数,并在黏塑性元件中采用非定常、非牛顿黏性元件,得到的蠕变柔量可以考虑应力水平和时间的影响,使其能够反映其加速蠕变的过程。用提出的模型分别对一维和三维应力、不同应力水平下的冻土蠕变试验数据进行了拟合,拟合结果能够反映冻土从衰减蠕变和稳定蠕变状态进入加速蠕变的过程,说明了该模型对于描述冻土在不同应力下不同蠕变状态的适用性。     

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.     

基于巷道围岩自承特性的锚杆锚固效果研究

现有锚杆锚固效果研究很少关注整体锚固围岩的自承载特性。巷道围岩切向应力σθ对围岩承载结构的力学变化反应灵敏,研究了锚杆长度和锚杆强度对切向应力σθ曲线变化的影响,可为研究锚杆锚固效果提供重要参考依据。整体锚固巷道围岩σθ曲线形状与锚固端所处弹塑性围岩位置有关,当锚固端在塑性区内,对σθ曲线的峰值位置和大小影响不大;随着锚固端向弹性区深入,σθ分布曲线形成内外两个峰值,锚固巷道围岩出现弹塑性交替的现象。同时,锚杆强度与围岩自承强度存在一定程度的匹配关系,相应地提出了通过锚固σθ曲线的双峰值来判别锚杆锚固效果的新方法,该方法能较好地解释软弱地层条件下取消系统锚杆布置的问题。     

干燥与饱水状态下砂岩的剪切蠕变特性研究

以武汉越江隧道为工程背景,对干燥和饱水砂岩进行了剪切蠕变试验,并从剪切蠕变应变特征和剪切蠕变物理力学特性两方面进行了对比分析,重点阐述了水对砂岩剪切蠕变特性的影响,同时对其影响机制进行了相应的分析。结果表明,水能够增大砂岩的蠕变应变量和蠕变应变速率,并降低蠕变破坏强度值。因此,在重要工程设计和施工中,不能够忽视水对砂岩蠕变特性的影响。     

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。