基于岩石长期稳定性的工程寿命预估研究

为了从岩石蠕变特性的角度对岩石工程的时效作用进行理论研究,通过对改进的西原蠕变模型进行理论分析,模拟微分方程数值曲线,从而得出与时间相关的蠕变加速度失稳判据;结合蠕变模型第三阶段的非线性特性,采用趋近系数对蠕变稳定阶段进行预测,对于非衰减蠕变破坏,通过破坏倾斜角进行预估。揭示了岩石第三阶段蠕变失稳的机理和规律,为预测岩石工程的失稳破坏及其寿命预估提供新的理论依据。     

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。     

基于分段模拟的岩石蠕变模型

为了更好地实现对岩石蠕变特性的描述,基于岩石蠕变的阶段特征,提出分段模拟岩石蠕变的建模思路。应用变分数阶微积分改进的软体元件与弹簧串联得到改进的Maxwell模型实现对岩石稳定蠕变阶段的模拟;同时基于应变触发方式改进蠕变体元件实现对岩石非稳定蠕变阶段的模拟。综合改进的Maxwell模型与改进的蠕变体元件构建一个新的三元件蠕变模型。应用岩盐典型蠕变曲线数据对三元件蠕变模型进行了验证。结果显示构建的三元件蠕变模型可以很好地模拟岩盐的三阶段蠕变,分段模拟思路是可靠的。     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变本构模型研究

依据粉砂质泥岩三轴压缩蠕变试验结果,分析了岩石的蠕变力学特性。选取线性黏弹性Burgers模型来描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变特性。引入非线性黏塑性元件,将其与Burgers模型串联起来,建立一个新的六元件非线性黏弹塑性Burgers蠕变本构模型。采用非线性Burgers模型来描述岩石的加速蠕变特性。应用Levenberg-Marquardt算法对蠕变试验曲线进行辨识,得出各级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,表明线性Burgers模型与非线性Burgers模型可以准确描述岩石3个蠕变阶段的力学特性。模型参数辨识结果表明,在同一级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数各自独立并不统一,模型参数取值时应考虑岩石蠕变的各向异性以及轴向与径向蠕变量、蠕变速率大小的差异。在前7级应力水平下,模型参数应取以轴向应变辨识得到的Burgers模型参数;在第8级应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的Burgers模型参数;在破裂应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的非线性Burgers模型参数。     

改进的蠕变模型及其稳定性

为了反映岩石的蠕变特性,根据对岩石蠕变曲线和蠕变模型的分析,采用负弹性模量和非理想粘滞体模型,提出了一种蠕变模型：H-K-VP-(H‖N-‖St．V) (N-为非牛顿粘滞体模型);通过理论分析及用该模型对页岩岩样单轴压缩蠕变实验数据进行拟合,表明该模型能够反映岩石的各种蠕变性态,尤其是加速蠕变过程;对模型的稳定性进行了分析,表明岩石的物性参数是影响岩石蠕变稳定性的重要因素。     

孔隙水压力分级加载砂岩蠕变特性研究

采用RLW－2000 M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石孔隙水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性及模型研究,重点分析了孔隙水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变（应变速率）、等效孔隙体积（体积速率）演化曲线,同时对不同孔隙水压力分级加载条件下的岩石蠕变演化曲线进行了模型分析和对比。试验结果表明,逐级加载孔隙水压作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化3阶段特征;分级加载水压力的孔隙体积演化规律符合微孔洞的损伤过程的3个阶段规律;利用西原体模型进行理论与试验蠕变曲线对比,蠕变方程曲线与试验曲线的演化规律吻合。     

岩石蠕变模型研究进展及若干问题探讨

岩石蠕变是岩土工程变形失稳的主要原因之一。近年来蠕变研究正处于一个探索阶段,本文从四个方面综述了蠕变模型的研究进展。研究发现,在岩石蠕变的三个阶段中利用经典本构模型均很难描述加速蠕变阶段,研究者们通过新的元件或者改进的非线性黏弹塑性本构模型可以很好的模拟岩石蠕变实际曲线;基于损伤理论的岩石蠕变模型是近年来发展的主要方向,可以很好的解决岩石微观裂纹所带来的蠕变;随着岩石深部工程的发展,岩体受到周围实际环境下的影响是不可忽略的,从而研究含水量的变化与水力和其它应力耦合下的岩石蠕变也是今后的重点。最后指出,由于试验仪器的原因,高温高压和各向异性下的岩石蠕变模型研究进行的还不是很多,是今后岩石蠕变研究的难点。     

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。     

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。     

基于Weibull分布的红砂岩三轴蠕变试验及模型研究

当前,地下工程围岩蠕变问题仍然存在,蠕变理论需要进一步丰富。岩石蠕变实质上是损伤不断积累的过程,针对蠕变条件下岩石损伤演化情况,文章采用TAW-2000多功能三轴伺服试验系统对取自四川乐山依卜隧道的红砂岩进行三轴蠕变试验,分析不同围压下试样蠕变变形规律,同时以西原模型为基础,结合Weibull分布和Perzyna黏塑性理论,建立一种改进的可以描述岩石蠕变破坏全过程的黏弹塑性蠕变模型。通过划分蠕变阶段来定义临界点损伤变量,从而更为准确地确定加速蠕变启动时间。得出如下结论：（1）模型曲线与试验数据具有良好的一致性,验证了模型的准确性与合理性,说明基于Weibull分布建立的红砂岩黏弹塑性蠕变模型是可行的;（2）基于Perzyna黏塑性理论,建立了可以更加准确的描述加速蠕变的黏塑性应变表达式;（3）文章建立的基于Weibull分布和Perzyna黏塑性理论的三轴损伤蠕变模型能够较好的描述岩石蠕变全过程,克服了西原模型不能描述加速蠕变的缺点。本研究通过定义不同蠕变阶段的临界点损伤变量更好的反映了岩石蠕变变形与损伤之间关系,丰富了岩石类材料的蠕变本构理论。     

深部岩体分区碎裂化进程的时间效应研究

论文对现场观测和相似材料模拟实验中岩石分区碎裂化的时间效应进行了总结。得出岩石分区碎裂化现象是岩体经蠕变产生的。破碎带的形成需要经过一定的时间。但这段时间不会很长。采用蠕变理论对岩石分区碎裂化的时间效应进行了分析,推导了能够描述加速蠕变阶段的流变模型———改进的西原模型的本构方程和蠕变方程。在此基础上求出了岩石分区破裂化发生时破裂带半径(破碎带距巷道中心的距离)的公式。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性流变模型

借鉴经典元件组合模型的建模思路,将含分数阶微积分的软体元件与弹簧元件串联,结合一个幂函数黏塑性体,提出一种新的四元件非线性黏弹塑性流变模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程,得到在不同应力条件下的蠕变曲线。可以发现,岩石稳定蠕变阶段的非线性渐变过程和加速蠕变阶段蠕变速率的快慢程度可通过调整蠕变参数进行有效地模拟。在较低应力水平时,模型能够有效地刻画岩石的初始蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性。利用该模型对试验数据拟合的结果表明,含有软体元件和幂函数黏塑性体的非线性流变模型能够有效地描述岩石的蠕变特性,减少组合模型中的元件个数和参数数量。     

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。     

节理岩体蠕变特性研究

在已知岩石和节理蠕变规律的前提下,推导了节理岩体蠕变模型的一般表达式。假定岩石体积变形和节理法向压缩变形为弹性变形,忽略节理的剪胀现象,认为只有岩石畸变和节理剪切滑移与时间有关,从而推导了含三组相交节理的岩体蠕变模型及其参数。根据反演出的岩石和节理蠕变模型,计算了含三组相交节理的岩体在单轴应力作用下一些节理参数对岩体单轴蠕变的影响。分析表明,节理间距、剪胀系数以及节理夹角都对岩体的单轴蠕变变形有明显影响。节理间距越大,剪胀系数越大,节理夹角越小,节理岩体的单轴蠕变柔量也就越小,岩体的蠕变变形也越小。     

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。     

冻融循环下花岗岩剪切蠕变试验与模型研究

为探讨冻融对寒区工程岩石剪切蠕变特性的影响,以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的试样开展细观特征分析和剪切蠕变试验。试验结果表明:(1)随着冻融次数的增加,试样裂隙、孔隙不断扩展,岩石表面损伤现象愈发明显;(2)试样主要以中小孔隙为主,孔隙度随着冻融次数的增加呈非线性增长趋势;(3)随着冻融循环次数增加,蠕变变形量和蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低趋势。根据试验结果,进行冻融岩石非定常蠕变参数的表达,提出了冻融岩石损伤黏性元件,构建了花岗岩冻融剪切蠕变本构模型。将蠕变试验曲线和理论模型拟合曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。通过对蠕变参数进行敏感性分析,研究其对花岗岩蠕变变形的影响,并给出了蠕变参数随冻融循环次数的变化规律。研究结果对于寒区岩体工程长期稳定性评价具有指导意义。     

冻融循环条件下片麻岩蠕变特性试验研究

为探讨寒冷地区隧道围岩的长期稳定性,选取吉林省辉白隧道中的片麻岩进行冻融循环条件下的三轴蠕变试验,分析了冻融循环作用对片麻岩蠕变特性的影响机制。试验结果表明：随着冻融次数的增加,片麻岩的蠕变变形量逐渐增加,而蠕变破坏应力、蠕变时长、长期强度均有明显降低的趋势。同时冻融循环温度的幅度对片麻岩的各蠕变参数也有一定影响,表现为冻融循环次数相同时,温度越低,岩样的初始瞬时蠕变越大,而蠕变时长与长期强度越小。同时基于试验结果,利用1stOpt优化软件对Burgers模型参数进行辨识,可得模型理论曲线与试验曲线在蠕变减速段和稳定段吻合较好。最后通过SEM扫描和能谱EDS分析了冻融循环对片麻岩微细观结构的影响机制。岩样在长期荷载作用下的破坏模式均为剪切破坏,随着冻融次数的增加,岩石的破裂程度越来越严重、破坏块度越来越小。研究结果为寒区岩石工程的支护设计和防冻害设计提供了参考和依据。     

一种新型的岩石蠕变模型

岩石在一定恒定压力荷载作用下可以承受长期的变形,也就是蠕变。虽然关于岩石蠕变研究的现有文献数量比混凝土蠕变研究的文献少得多,但是很多学者已经对这种现象进行了研究和模拟。本文的研究目的是通过改进众所周知的混凝土蠕变模型来研究软岩,以估算岩石的长期蠕变。上述研究中最常见的问题是实验室测试时间短和对已有结果的外推。为了进行岩石物理和力学特性的测试(包括超声、孔隙率、密度以及恒定应力荷载下的强度和蠕变),我们选取了10个直径54mm、高100mm的圆柱形岩样,用蠕变试验来研究软岩的长期蠕变行为。根据CEB-FIP规则得到初期蠕变特性的混凝土样品与被试岩样相比呈现出类似的蠕变特性。文中提出了基于流变学的Kelvin元件和CEB-FIP规则的特定模型用来研究软岩,模型与研究期被测岩样的真蠕变性非常近似。我们注意到蠕变曲线与被测岩样曲线接近的混凝土在荷载作用下产生的单轴压缩强度与干岩石在测试中得到的强度事实上是相等的。这也暗示我们可以通过改变CEB-FIP模型来重现测试期岩石的蠕变性。     

温度作用下岩石的热黏弹塑性模型研究

在西原体模型的基础上,通过引入弹簧的热膨胀系数,将温度效应引入到模型中,推导了单轴应力状态下微分形式的热粘塑性本构方程。通过蠕变曲线和卸载曲线的分析,考虑了温度效应的西原体模型当应力水平较低时为稳定蠕变,存在瞬时弹性、弹性后效和由温度引起的粘性流动;当应力水平较高时为不稳定蠕变,存在瞬时弹性、弹性后效和由温度和应力共同引起的粘性流动,该模型较全面地反映了岩石在温度作用下的蠕变性质。