芒硝蠕变特性及本构模型研究

为研究芒硝蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对芒硝开展了三轴压缩蠕变试验;基于此,以分数阶粘滞体代替广义Kelvin模型中的常规粘滞体,建立了分数阶广义Kelvin模型;针对其蠕变方程形式复杂、应用不便的缺点对其进行了简化,将简化后的分数阶广义Kelvin模型与Heard稳态蠕变模型相结合,构建了一种新的岩石蠕变本构模型,并利用芒硝蠕变试验结果反演了模型参数。结果显示:同一围压下,随轴向应力增大,芒硝蠕变变形量和稳态蠕变率均随之增加,而各级荷载加载过程中芒硝变形模量不断减小;芒硝蠕变过程具有非线性特征,且随蠕变时间延长,芒硝屈服强度逐渐降低;拟合曲线和试验结果吻合良好,说明该模型能够较好地描述芒硝的蠕变特性。

基于广义Kelvin模型的非定常盐岩蠕变模型

针对川东北油气田盐岩地层普遍出现的套损现象,对该地层段盐岩的蠕变特性进行研究。用非定常黏壶元件替换广义Kelvin模型中的线性黏壶元件,建立非定常广义Kelvin模型;将其与能够描述盐岩稳态蠕变特征的Heard模型进行串联,构建新的四元件NGKH盐岩非线性蠕变本构模型,可以描述盐岩的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段特征。基于室内三轴蠕变试验结果,利用Levenberg-Marquardt算法对NGKH模型蠕变参数进行识别。基于FLAC3D的UDM接口程序,采用C++编程语言对其进行二次开发;并通过三轴蠕变试验的数值模拟对开发NGKH模型进行验证。研究结果表明:NGKH模型的拟合结果与室内试验结果吻合良好,该蠕变模型能够准确描述盐岩的非线性蠕变特性;通过黏弹性与非线性计算结果,验证了开发NGKH模型程序的正确性和合理性。

热-力耦合作用下花岗岩蠕变损伤模型

热-力耦合作用下的岩石蠕变行为对深部地下工程、高放射性废料处置工程影响显著。基于20~300℃下的花岗岩蠕变试验,分析温度对瞬时应变和蠕变应变速率的影响,由此认为温度对花岗岩瞬时弹性模量造成瞬时损伤并促进后续蠕变损伤过程,从而定义瞬时、蠕变热损伤变量。构建广义Kelvin热损伤模型和黏塑性热损伤元件,采用Heard指数型模型描述花岗岩稳态蠕变行为,串联后得到一个新的热-力耦合作用下的花岗岩蠕变损伤模型。给出模型参数求解方法,分析瞬时、蠕变热损伤变量变化规律,通过辨识三种花岗岩的蠕变试验数据,验证所建模型的合理性和适用性。研究成果为热-力耦合作用下花岗岩蠕变行为模拟及深部地下工程、高放射性废料处置工程长期稳定性研究提供一定参考。

考虑温度效应的板岩隧道围岩蠕变变形规律研究

隧道开挖后,围岩应力重新分布,产生蠕变变形现象,常会引起大变形、塌方、冲击地压等灾害。为解决此问题,进行了0~120 d的围岩位移、温度现场监测试验,预测和评价板岩隧道围岩的长期稳定性。首先,基于监测位移和温度变化规律,建立改进的Harris温度-时间关系表达式;然后,嵌入Heard幂律型蠕变模型,得到一个新的考虑温度效应的改进Heard蠕变本构模型;最后,模拟围岩0~120 d监测位移,验证所建模型的可行性,并预测围岩在500 d后的蠕变变形规律。研究表明:1)隧道开挖后围岩应力释放,围岩处于受拉状态蠕变累积;2)围岩位移大致表现为幂律型累积规律,0~60 d累积速率较快,60 d后累积速率逐渐变缓,120 d时位移时程曲线趋于收敛,最大位移达-9.93 mm,最小位移为-0.05 mm;3)围岩监测温度与时间呈现反比例衰减关系,随着时间的增长温度逐渐降低。改进后的Harris模型考虑了温度效应,能较准确地反映围岩温度与蠕变时间之间的关系,可为隧道后期正常营运提供一定的理论参考。