高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。

盐岩非线性蠕变损伤本构模型及其工程应用

盐岩以其良好的流变、低渗透率及损伤自我恢复等特性,是目前国内外公认的能源、废弃物贮存和高放射废物地质处置的首选介质。结合金坛储气库盐岩三轴蠕变的研究成果,建立盐岩三维蠕变损伤的本构方程和损伤演化方程,并将建立的本构方程编制成有限元计算程序,模拟金坛储气库在注采过程中的蠕变和损伤演化的影响范围。研究成果对金坛储气库的运行压力设计具有一定的参考意义。

岩石试件非线性蠕变模型及其稳定性分析

以改进的西原正夫模型为基础,利用岩石全过程应力-应变曲线与蠕变方程中参数的对应关系,建立参数非线性蠕变模型。通过对非线性蠕变模型和蠕变曲线的分析,把非线性蠕变问题通过局部线性化,得出了改进的西原正夫模型的稳定性条件,较好地反映了岩石试件的3阶段蠕变过程,尤其是非线性加速蠕变变形;同时,得出岩石试件蠕变稳定性的判别准则和蠕变变形、蠕变速率和蠕变加速度的解析表达式。

含水炭质板岩非线性蠕变损伤模型及应用

对深埋隧道炭质板岩进行高围压不同含水状态三轴蠕变试验。蠕变过程中,随着加载应力水平提高及含水量的增加,炭质板岩产生衰减、稳态及加速蠕变3阶段。将Burgers模型串联一个由非线性黏壶η(n,t)与塑性体并联而成的非线性粘塑性元件,改进后的模型可描述加速蠕变曲线。由该模型建立本构方程,拟合分析不同含水状态炭质板岩的蠕变参数,结果显示粘滞系数ηM、瞬时变形模量EM、粘弹性变形模量EK、粘弹性粘滞系数ηK随含水率增加呈指数形式递减,但递减规律并不相同。引入含水损伤变量D(w),计算得到各蠕变参数指数型含水损伤演化方程,进而建立了考虑含水损伤的非线性蠕变模型,可充分反映不同含水状态对炭质板岩的蠕变损伤特性。建立数值模型,计算不同含水状态隧道围岩时效变形规律,结果显示初期支护体系于168h左右闭合能有效限制围岩蠕变变形发展,二衬宜于初期支护闭合后360h左右施作。

沥青混合料非线性蠕变模型及其参数确定

根据沥青混合料3阶段的蠕变特性和混合料全过程应力-应变曲线,对Burgers模型中的粘弹性弹簧进行改进,认为其弹性模量随应变增大而减小;推导了非线性蠕变模型的本构方程,给出了蠕变应变、蠕变速度和蠕变加速度的解析表达式;进行了模型稳定性分析,给出了模型稳定条件和蠕变破坏时间的定义;运用最小二乘法原理,建立了模型参数的确定方法;最后通过两个实例验证了模型的准确性和适用性。研究结果表明,非线性蠕变模型较好地反映了沥青混合料3阶段的蠕变过程,蠕变破坏时间也可作为研究沥青混合料蠕变性能的一个新指标。

泥页岩水化膨胀的非线性蠕变模型

泥页岩井壁岩石受到地下流体与入井流体的影响,具有明显的流变效应。根据泥页岩水化膨胀的流变力学行为,借鉴经典元件组合模型的建模思路,提出一种新的膨胀模型,将泥页岩水化膨胀蠕变过程的膨胀元件与黏性元件并联,结合非线性黏塑性体,能有效地模拟泥页岩水化膨胀的蠕变过程。该模型既能反映岩石水化膨胀后的衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,又能反映岩石在高应力下的加速蠕变阶段的水化膨胀非线性蠕变过程。文中取长7泥页岩进行了蠕变试验,通过实验数据拟合发现,该模型可以很好地描述泥页岩水化膨胀后岩石的蠕变特性。

孤立煤柱非线性蠕变失稳滞后时间的研究

为了明确描述煤矿冲击地压的发生具有时间滞后特性,基于冲击地压失稳理论,采用解析分析的方法研究孤立煤柱非线性蠕变失稳,得到了孤立煤柱冲击地压蠕变失稳条件;采用幂次关系、分数-线性关系两种非线性蠕变模型,推导出了孤立煤柱冲击地压非线性蠕变失稳滞后时间的理论公式;并结合工程实际,与两种蠕变模型条件下孤立煤柱冲击地压滞后时间理论值进行了对比。分析发现:3107工作面上顺槽保护煤柱处发生冲击地压的滞后时间实际为8.5d;采用分数-线性关系模型得到孤立煤柱冲击地压滞后时间为9.10d;采用幂次关系模型得到冲击地压滞后时间为10.45d。结果表明分数-线性关系模型与工程实际符合更好。

基于硬化和损伤效应的岩石非线性蠕变模型

岩石的蠕变过程是岩石内部应力不断调整,硬化和损伤效应不断发展并共同作用的结果。借鉴经典元件模型的建模思路,将岩石的初始屈服强度作为蠕变硬化的应力阈值,岩石的长期强度作为损伤软化的应力阈值,引入能反映岩石硬化效应的硬化函数和损伤效应的损伤变量,建立能够全面反映蠕变机制的岩石非线性蠕变模型。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不仅能够很好地描述蠕变全过程,而且可以全面反映岩石蠕变过程中的蠕变硬化和损伤软化机制。

层状盐岩体非线性蠕变本构模型

针对由不同岩层交替而组成的层状盐岩体,建立泥岩夹层和盐岩复合体代表单元,根据应变协调原理,从细观力学分析角度通过考虑泥岩夹层弹性性质、盐岩弹性及蠕变力学特性以及两相体积含量建立层状盐岩体宏观各向异性非线性蠕变增量型本构模型,分析层状盐岩在蠕变过程中因保持细观应变协调而产生的应力重分布问题,给出新本构模型ABAQUS有限元二次开发增量迭代算法实现方法,对一层状盐岩体简单试样算例进行初步计算分析验证,分析计算与试验结果吻合较好,表明该本构模型能反映细观应变协调时层状盐岩体宏观蠕变力学特性,该模型将为层状盐岩体内硐室长期稳定性分析提供理论计算基础。

岩体裂隙非线性蠕变过程特性与应用研究

从岩体不连续裂隙介质三轴蠕变试验结果，分析了开挖诱致岩体裂隙蠕滑全过程的基本特点。研究了裂隙起裂机制、蠕变扩展规律，讨论了岩体裂隙损伤断裂全过程与裂隙岩体蠕变全过程的耦合关系，并建立了相应的本构模型和分析模型，最后进行了算例分析。

胶凝含蜡原油非线性蠕变模型研究

研究胶凝含蜡原油的蠕变模型对管道的安全再启动具有重要意义。现有的蠕变模型不能描述胶凝含蜡原油不同阶段的蠕变,故在描述胶凝原油不同阶段的蠕变时,流变方程不得不分段使用,这为工程应用带来很大的不便。今引入损伤变量及硬化变量,建立了由具有非线性软化的虎克体和具有非线性硬化的牛顿体串联而成的胶凝含蜡原油非线性蠕变方程,该模型可以统一地描述胶凝含蜡原油蠕变的3个阶段,无需进行分段处理,简洁实用。利用该模型对三种不同原油的蠕变曲线进行拟合,蠕变曲线与理论曲线的拟合度均较高,说明该模型的适应性较好,可在工程上推广应用。

不同应力差下非线性蠕变研究

深部工程处于复杂的环境场(应力场、温度场和渗流场)之中,引起的地下工程围岩流变破坏事故屡见不鲜。本文通过三轴蠕变实验,根据岩体流变力学和蠕变原理对影响深部岩体蠕变的因素进行了研究。用实验数据进行数值计算,得出了深部软岩巷道围岩在高地应力作用下的非线性蠕变模型,建立了应力差-时间-蠕变的定量关系,利用MATLAB软件得到了不同情况下的蠕变-时间曲线;应力差-时间-蠕变曲面。从而验证了非线性流变理论,找到了引起蠕变的主要因素应力差。并利用应力差理论分析了深部巷道围岩的蠕变破坏机理。

基于三轴蠕变试验砂岩非线性蠕变模型研究

针对观音堂煤矿2506工作面顶板坚硬砂岩三轴蠕变试验结果,引入能反映蠕变加速阶段的多项式元件,通过其与鲍埃丁模型串联,建立了新的坚硬砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型,它能用统一数学表达式描述轴向、横向蠕变全过程。利用砂岩15 MPa围压下轴向分级加载蠕变试验数据,对建立的蠕变模型进行参数反演,获得了该模型蠕变参数。通过对砂岩三轴蠕变试验曲线拟合,验证了本文提出非线性蠕变模型的正确性及合理性。

线性蠕变问题中两种摄动半解析计算格式

将线性蠕变的控制方程做摄动展开，用加权余量法和二类变量的变分原理，引入有限元线和Ｈａｍｉｌｔｏｎ混合状态元技术，建立了两种求解线性蠕变问题的摄动半解析计算格式。

纺织材料非线性蠕变特性的研究

通过单 向蠕变及 恢复试 验对纺织 材料的 蠕变特性 进行 了研 究，在 以往 研究 的基 础上， 给出了用以 描述蠕 变特征的 非线性蠕 变方程 ，首次提 出了把 蠕变— 恢复 过程 分为 急弹 性、急 塑性、粘弹性及粘 塑性变 形四项内 容，通过 理论分 析 得到 了求 蠕 变方 程 各参 数的 方 法和 步骤 ，并 选定 机 织物和非织 造织物 进行了验 证。

基于分数阶导数的岩石非线性蠕变损伤模型

利用Riemann-Liouville分数阶理论,给出一种分数阶软体元件及其本构方程,阶数取值不同,可分别模拟蠕变的三个阶段.采用两个分数阶软体元件与虎克体进行组合,引入岩石硬化函数、损伤变量,提出一种新的含分数阶导数的非线性蠕变损伤模型,并推导出该模型的本构方程.利用砂岩的蠕变试验数据进行验证,发现该模型能有效描述砂岩的蠕变特性.

泥质粉砂岩蠕变特性及非线性蠕变模型研究

为揭示地下岩体非线性蠕变力学特性,对中风化泥质粉砂岩开展分级单轴加载蠕变试验。泥质粉砂岩典型蠕变曲线可划分为减速蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段,使用给定蠕变速率阈值法求得的岩石长期强度为14.3 MPa。为了描述岩石非线性蠕变特性,引入了一个与时间应力水平相关的非线性黏塑性元件,将其与广义Kelvin体和带开关的黏性体串联,得到了改进的非线性黏弹塑性蠕变模型。使用Origin平台的Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法反演得到模型的蠕变力学参数,通过将广义Kelvin蠕变模型、伯格斯蠕变模型和改进黏弹塑性蠕变模型与试验曲线进行比较,分析了各自的适用特点。结果表明:本研究提出的改进黏弹塑性蠕变模型可以较好地描述中风化泥质粉砂岩加速蠕变阶段特征,揭示了泥质粉砂岩的非线性蠕变力学特性。

连续玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的润湿渗透剂表面改性及其非线性蠕变性能

采用润湿渗透剂协同硅烷偶联剂对玄武岩纤维(BF)进行表面改性,并缠绕成型制备了玄武岩纤维/环氧树脂(BF/EP)复合材料。采用万能材料试验机测定了BF/EP的弯曲性能及在不同应力水平下测定了BF/EP复合材料240 min的蠕变性能,借助场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察了纤维及弯曲断裂断口的表面形貌,并分析了纤维表面改性对各项力学性能的影响。结果表明:采用润湿渗透剂协同硅烷偶联剂对BF进行表面改性后,BF/EP弯曲性能得到有效改善,层间剪切强度得到提高,FESEM形貌显示BF的协同改性提高了纤维与树脂之间的界面性能;在多种应力水平下的短期蠕变实验中,均表现出蠕变柔量增量的显著降低。使用改进Findley模型可描述BF/EP复合材料在低于其断裂应力水平下的蠕变性能,以此可进行其在不同应力水平下的蠕变性能预测。

考虑围岩蠕变全过程与扩容的深埋隧洞非线性位移解

深埋隧洞围岩变形是一个复杂的非线性力学问题,其中岩石的蠕变全过程和扩容是两个重要的影响因素。引入扩容角考虑塑性体积变化的影响,推导Hoek-Brown屈服准则下考虑与不考虑洞周面力的深埋隧洞围岩非线性应力解。借助可描述蠕变全过程行为的河海模型,获得了围岩黏弹塑性区蠕变位移表达式。针对不同NVPB蠕变参数和不同材料参数m值情况,讨论分析了洞周面力与扩容角对隧洞洞壁蠕变位移的影响规律。结果表明:在高地应力作用下,采用非线性蠕变模型描述深埋隧洞围岩蠕变问题可获得蠕变全过程曲线;扩容角增大或洞周面力和材料参数m值减小时,相同时刻隧洞洞壁蠕变位移增大,对围岩长期稳定不利。研究结论对深埋隧洞围岩临崩预报具有一定指导意义。