河津凝灰岩广义应力松弛特性及数值模拟研究

在很多地下工程实践中,岩体既不是纯蠕变,也不是纯应力松弛,而是随着时间的增加,应力和应变同时发生变化,表现出时间依存性,导致岩体最终破坏,这种现象用一般的蠕变和应力松弛很难解释清楚。全面系统地阐述了广义应力松弛特性及其工程物理意义,借用非线性Maxwell模型,求解了广义应力松弛条件下可变模量本构方程解析解,特别提出了通过交替荷载速率试验和加、卸载试验,精确求解峰前区域荷载速率依从性系数n_1的新方法。进行了70%和90%应力水平下广义应力松弛试验,并讨论和分析了不同应力水平、不同方向系数下广义应力松弛试验的时间依存性,最后用基于非线性Maxwell模型的可变模量本构方程对70%和90%应力水平下的广义应力松弛试验进行了数值模拟,结果表明,计算和试验结果一致性较好,很好地解释了河津凝灰岩广义应力松弛特性。

不同围压下岩石广义应力松弛特性试验研究

实际工程中有些岩体发生的流变性既不是纯蠕变又不是纯应力松弛,表现为应力和应变同时发生变化。利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,研究了不同围压条件下岩石的广义应力松弛特性,试验结果表明,岩石存在应变及应力同时增大、应变增大而应力减小、应变及应力都减小的情况,岩石蠕变和应力松弛行为属于岩石广义应力松弛现象的特例;在不同情况下的广义应力松弛过程中围压对岩石广义应力松弛特性的影响不甚相同,岩石轴向应变增大时围压越高岩石试件轴向变形越困难,岩石应变减小时围压越高岩石试件变形越明显。采用广义应力松弛试验方法,开展单轴及三轴压缩荷载作用下岩石广义应力松弛试验研究,对不同情况下岩石广义应力松弛特性的围压效应进行对比分析,以期对后期开展更深入的三轴广义应力松弛试验研究具有一定的指导和借鉴意义。

基于3D-DIC技术岩石广义应力松弛特性试验研究

基于可视化三轴压缩伺服控制试验系统和三维数字图像相关技术(简称3D-DIC技术),开展了不同流变方向系数α下的广义应力松弛试验,对广义应力松弛过程中砂岩表面的应变演化规律进行了探讨。研究结果表明:在流变过程中若砂岩有发生破坏的趋势,其表面的轴向、径向应变场的应变集中区域逐步显现,轴向应变集中区域由层状离散分布逐渐向即将出现裂纹的位置集中,而径向应变场中在裂纹即将形成区域附近应变增长速率最快。不同表面位置轴向、径向应变差异的演化速率与其整体演化速率的变化趋势呈现正相关,在即将形成裂纹附近的轴向、径向应变变化量发展经历减速、等速、加速3个阶段,而远离裂纹处的应变则可能先增大后减小,不同位置应变值的等时曲线演化则预示裂纹即将形成的区域。随着流变方向系数α由0.3、0、-3.0、∞、3.0依次变迁,流变过程中轴向、径向应变场整体演化的均值与方差均上升,说明其演化速率加快,应变集中现象更显著,且砂岩破坏前后的应变场演化差异增大。

三轴应力条件下凝灰岩广义应力松弛流变模型的构建

岩石的长期稳定性是影响岩土工程设计和施工的重要因素。在由弹性元件和Abel黏壶元件串联组合得到Abel黏壶蠕变模型的基础上,进一步提出适用于描述流变各个方向应变随时间演化的流变模型——广义Abel黏壶模型。根据不同围压条件下凝灰岩广义应力松弛特性试验结果,对凝灰岩流变特性进行分析计算,并将适用于蠕变方向的广义Abel黏壶模型与Kelvin蠕变模型进行对比。结果表明:构建的广义Abel黏壶模型能很好地描述凝灰岩广义应力松弛流变减速阶段和稳定阶段中的应变变化规律,对凝灰岩广义应力松弛特性的分析具有更好的拟合优度。

基于应力归还法的单轴拉伸伺服控制试验系统的研制与应用

根据岩石广义应力松弛特性试验研究的需要,自主研制了基于应力归还法的单轴拉伸伺服控制试验系统。该系统的(1)实现了应力归还法控制,既能单独控制加载传统的位移、应力,也可伺服控制应力-应变线性组合;(2)测量、控制系统采用硬件实现而非计算机软件,结构简单紧凑,系统动作反应时间短,性能稳定可靠,升级改造空间大;(3)控制及监测数据均采用模拟信号传输,试验过程控制及数据采集精度均较高;(4)采用高强度粘接剂直接拉伸,使试件完全处于被拉伸状态,能更真实地模拟工程实际中岩体的受力状态。采用该试验系统,对田下凝灰岩进行了拉应力条件下的广义应力松弛试验,试验结果表明,其具有较好的实用性和可靠性,为研究工程实际中岩石受拉应力作用下的广义应力松弛力学性质提供了新的试验方法及手段。