基于短期室内试验推导长期稳态蠕变率的盐岩本构模型

由于试验时间的限制,短期室内试验测得的稳态蠕变速率往往为现场实测的5～50倍,故如何通过持续时间较短的蠕变试验结果推求出盐岩长期稳态蠕变率是盐岩蠕变特性研究中的一大难点。基于盐岩蠕变特性的现有理论研究,提出利用新的本构模型解决上述难题。结合典型盐岩蠕变本构模型Lubby2和IfG-G&S的优点,提出能够描述盐岩从一期自动进入二期蠕变全过程,且能够进一步发展为考虑蠕变损伤和失稳的Lubby2_Ⅰ-Ⅱ模型。基于江苏金坛盐岩的试验数据,求得3个蠕变本构模型的参数,并用以计算盐样的稳态蠕变率和金坛储气库的变形量。结果表明:Lubby2_Ⅰ-Ⅱ模型不仅能够较好地描述盐样的实测蠕变曲线,且与金坛储气库二期稳态蠕变率的反演现场值接近。这一结果很好地验证了Lubby2_Ⅰ-Ⅱ模型基于短期室内试验推导现场条件下的盐岩长期稳态蠕变率的可靠性。

加载方式和压力差对类软岩稳态蠕变率影响的实验研究

为研究加载方式和压力差对类软岩蠕变稳态率的影响,统一配制类软岩试件,采用分别加载和分级加载的方法进行单轴和三轴蠕变实验。利用Boltzman n迭加原理对原始实验结果进行处理,建立了稳态蠕变率与压力差的关系函数表达式。结果表明,加载历史是造成类软岩分级加载和分别加载稳态蠕变率大小不同的原因,类软岩在轴压和围压不同组合关系作用下,稳态蠕变率大小呈交替变化。研究结果可为矿区巷道及相关地下工程建设,深部能源开发、开采提供参考。

泥岩三轴蠕变实验研究

采用MTS伺服刚性压力实验机对高家梁煤矿泥岩进行了三轴蠕变实验研究,获得了泥岩在不同应力条件下的蠕变变形规律。实验表明围压对泥岩微观缺陷的发展有一定的限制作用。随着围压的增加,泥岩的三轴抗压强度和弹性模量均有所增加。在围压一定时:衰减蠕变量随轴压的增大而增大;衰减蠕变率随偏应力的增加而增大;稳态蠕变率随偏应力的增大而增大。在偏应力一定时,稳态蠕变率随围压的增大而减小。当围压大于4MPa后,围压的限制作用将明显减小。随着围压继续增大,稳态蠕变率变化并不明显。根据获得的实验数据,用回归法求出了H-K模型蠕变方程的参数。结果表明H-K模型能较好地模拟实验结果。在实际工程中可通过支护增加围压以提高围岩屈服强度,也可根据实际工程中泥岩蠕变的变化趋势确定合理的二次支护时间,避免流变破坏的发生。

界面特性对短纤维金属基复合材料蠕变行为的影响

基于短纤维增强金属基复合材料(MMC)的单纤维三维模型(三相),利用粘弹性有限元分析方法对影响金属基复合材料的蠕变行为的因素进行了较为系统的分析。研究中主要讨论了界面特性和纤维取向角对金属基复合材料的蠕变性能的影响。研究结果发现,界面特性诸如厚度、模量和应力指数都对纤维最大轴应力和稳定蠕变率产生影响:稳态蠕变率随界面模量的增大而逐渐减小,当高于基体模量时基本保持不变;纤维轴应力的变化与蠕变率正好相反。稳态蠕变率随界面厚度、应力指数的增加而增大;而轴应力则随之减小。同时不同的纤维取向也影响金属基复合材料蠕变时的轴应力分布和稳态蠕变率。

平顶山盐田互层状盐岩蠕变特性与试验模型研究

地下盐穴储气库围岩变形机理是地质可储性的关键问题。针对平顶山盐田盐层薄、夹层多以及埋藏深等特征,分别采集了纯盐岩、互层状盐岩、泥岩夹层三种岩石试样,进行了不同应力水平下的单轴和三轴压缩蠕变试验。蠕变试验结果表明,单轴和三轴状态下三种试样的蠕变均呈现初始蠕变和稳态蠕变两个阶段,互层状盐岩的初始蠕变时间相对较长,稳态蠕变率处于盐岩和泥岩之间,其变形主要由盐岩层贡献,同时层间变形的不协调导致互层状盐岩在稳态蠕变阶段出现泥岩夹层的颈缩内陷和盐岩层的膨胀外突破坏现象。根据互层状盐岩的蠕变特征,建立起蠕变模型,并根据试验数据拟合出模型参数。分析结果表明,理论模型和试验数据吻合较好,拟合参数完全佐证了上述互层状盐岩的蠕变特殊性,为盐田安全建立地下储气库提供一定的参考依据。

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。

热力耦合作用下硬脆性岩石蠕变性质试验研究

以齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为例,通过不同温度下的室内分级加载三轴蠕变试验,获得了热力耦合作用下岩石稳态蠕变率和强度的变化规律,揭示了考虑温度影响的蠕变破坏模式。结果表明,片麻状花岗岩稳态蠕变率与温度呈非线性正相关,经典软岩稳态蠕变率模型对片麻状花岗岩同样适用;岩石的长期强度与温度呈负相关,并获得了硬脆性岩石长期强度随温度和围压变化的三元素实用公式;随着温度升高,岩石破坏模式呈现由单斜面剪切破坏到共轭剪切破坏的转变,高温对硬岩具有显著软化作用。

含不同倾角裂隙类岩石蠕变特性及数值模拟分析

为研究含不同倾角裂隙岩石的蠕变特性,利用相似理论配制含不同倾角单裂隙类岩石,对含不同倾角单裂隙类岩石试件进行三轴蠕变试验,得到不同角度单裂隙类岩石的稳态蠕变率与稳态蠕变量,利用ANSYS软件对含不同倾角裂隙类岩石进行数值模拟并分析,得到试件的应力与应变云图和裂隙特征点的稳态蠕变量、稳态蠕变率曲线。研究发现:三轴稳态蠕变率随裂隙倾角的增大表现出先增大后减小再增大的趋势,在倾角为30°时稳态蠕变率最大,最大为2.59×10^(-4)h^(-1),在倾角为75°时最小,最小为1.47×10^(-4)h^(-1);试件在蠕变过程中,裂隙尖端产生应力集中现象,远离裂隙尖端的部分应力变化较均匀;运用ANSYS软件对不同裂隙倾角试件进行蠕变模拟分析发现,在30°倾角时蠕变应变量最大,在75°倾角时蠕变应变量最小,90°倾角试件与无损伤试件蠕变应变量变化较均匀。

水化学-冻融循环作用下砂岩三轴蠕变及细观损伤试验研究

为了研究化学溶液侵蚀和冻融循环耦合下西南地区砂岩的蠕变特性,研究了不同化学溶液浸泡的黄砂岩试样经0次、15次、30次、45次和60次冻融循环后的三轴蠕变性质,结合SEM和核磁共振成像分析了劣化细观特征。结果表明:同一化学溶液侵蚀下随着冻融循环次数的增加,岩样的瞬时应变和稳态蠕变率呈指数形式增大,长期强度逐渐降低;相同冻融循环次数下,H_(2)SO_(4)溶液对岩样的损伤程度最大,NaOH溶液次之,NaCl溶液最小;在冻融循环60次之后,岩样的长期强度总体降幅为9.47%;NaCl与H_(2)SO_(4)侵蚀效果比较,岩样的长期强度总体降幅为4.33%;相同冻融循环次数下,不同化学溶液侵蚀下岩样孔隙度PPH=4>PPH=10>PPH=7,且岩样损伤是由表及里,由两端向中部发展的。研究结果为进一步研究多场耦合作用下岩石工程长期稳定性提供理论依据。

冻融循环作用下凝灰质砂岩卸荷蠕变试验研究

为探究冻融循环对高寒区岩石蠕变特性的影响,以新疆维吾尔自治区哈密市G575东天山特长隧道凝灰质砂岩为研究对象,开展冻融循环试验、电镜扫描试验以及不同冻融循环次数条件下分级卸围压的三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:冻融循环对凝灰质砂岩的影响,在微观上表现为降低矿物颗粒的胶结程度,宏观上表现为裂隙扩展裂化和颗粒析出裂化两种破坏形式;对于凝灰质砂岩来说,卸荷过程和冻融循环作用都导致岩样的蠕变变形能力有所提高,且径向变形对岩样的变形破坏更加敏感,对岩样变形破坏起到控制作用。

复杂地质条件下粉砂质泥岩蠕变力学行为研究

为揭示复杂地质条件下粉砂质泥岩的蠕变力学特性,利用多相耦合蠕变试验装置及声发射监测系统,对取自某矿井2种粒径粉砂质泥岩进行了饱水状态下不同温度和围压的蠕变力学试验。研究结果表明:粉砂质泥岩的内部结构特征及所处的外部复杂地质条件会对其长期力学行为产生显著影响;围压越小、温度越高、粒径越大的粉砂质泥岩强度越低而稳态蠕变率越大;稳态蠕变速率随围压的升高呈线性降低,随温度的升高呈指数函数增长;蠕变过程中泥岩的孔隙率变化趋势与蠕变速率相似,均呈"U"型分布,相同围压和温度下,粒径越大的试件,孔隙率变化幅度越大;温度越高,围压越大,蠕变声发射信号越是呈"高频率、高幅值",粒径越大,声发射信号越显著。研究成果可为进一步揭示粉砂质泥岩在复杂地质条件下的流变特性提供理论和试验支撑。

二维各向异性多孔材料多轴蠕变行为的数值模拟

基于二维各向异性多孔材料的Voronoi模型,对其单轴、多轴蠕变行为开展系统的研究。大量的数值模拟结果显示,二维各向异性多孔材料的力学性能对表征各向异性程度的几何拉伸系数R有明显的依赖性,其中参数r1和ν12随着R的增大而逐渐增大,参数r2的变化规律则相反。对于二维各向异性多孔材料而言,随着R的增大,沿拉伸方向上的单轴稳态蠕变率增大,而另一方向上的性能却逐渐降低。基于特征应力-特征应变关系,建立了一个能够描述二维各向异性多孔材料多轴蠕变行为的理论模型。将不同各向异性程度及不同加载条件下材料的稳态蠕变率的数值模拟结果与该模型的预测结果进行对比,发现两者吻合较好,证明了该理论模型的有效性。

盐岩高温三轴蠕变损伤破裂机制试验研究

为探究温度影响下盐岩的蠕变行为与损伤演化规律,利用岩石高温三轴蠕变试验机与声发射测试系统,研究35℃,50℃,65℃,80℃,95℃和110℃条件下盐岩蠕变变形特征与声发射活动规律,并结合矩张量反演理论解析震源机制和细微观裂纹扩展模式。研究表明:随环境温度升高,盐岩稳态蠕变率呈指数形式增大,110℃条件下的稳态蠕变率是35℃的35倍。减速蠕变过程中,盐岩声发射活动剧烈,撞击计数率高位波动,b值稳定上升;稳态蠕变过程中,盐岩声发射活动呈间歇性迸发,b值缓慢上升且无明显波动;声发射信号峰值频率呈低频、高频两区带状分布。蠕变环境温度升高,声发射信号峰值频率、高频信号比例和声发射b值均增加,高温环境增强了小尺度微破裂事件的萌生和主导地位。震源破裂滑动角可以较好地表征盐岩晶体的蠕变滑移行为,随环境温度升高,盐岩晶体滑移逐渐由水平方向转向竖直方向发展,但破裂方位走向角和倾角受温度影响较小。研究成果对指导超深盐穴储气库安全设计和长寿命运行具有重要意义。

基于反S函数的盐岩单轴压缩全过程蠕变模型

为了研究盐岩的蠕变特性,对盐岩试件开展不同轴向应力下的单轴压缩蠕变试验。试验结果显示,盐岩稳态蠕变率和相同时刻的蠕变应变均随轴向应力增大而非线性增大,两者随轴向应力的变化规律均可用指数函数描述;盐岩蠕变过程具有非线性特征,且轴向应力越大、蠕变时间越长,非线性特征越明显。为了确定盐岩长期强度,提出一种改进的稳态蠕变率拐点法,该法确定的盐岩长期强度值与等时应力–应变曲线拐点法确定的结果非常接近,可为类似研究提供一定的借鉴。从唯象学的角度出发,通过对S形函数求反函数的方法,提出一种新的岩石单轴压缩全过程蠕变模型,并利用盐岩蠕变试验结果对模型合理性进行验证。结果表明,该模型不仅能够描述盐岩在低应力水平下的衰减蠕变和稳态蠕变,还能反映高应力水平下盐岩单轴压缩蠕变破坏全过程,特别是能够反映加速蠕变。模型以一个统一的表达式即可描述盐岩单轴压缩蠕变全过程的3个阶段,克服了元件组合模型需要分段处理的缺点;同时,该模型表达式非常简单,方便应用。