向家坝水电站坝基挤压带岩石三轴蠕变试验及非线性黏弹塑性蠕变模型研究

基于岩石常规三轴蠕变试验成果,研究向家坝水电站坝基挤压破碎带砂岩蠕变力学特性,分析岩石轴向和侧向蠕变规律。在低应力水平下,岩石仅发生衰减蠕变和稳态蠕变,而且稳态蠕变阶段的应变速率为非零常数,蠕变量不可忽视,岩石变形满足Burgers蠕变模型。当应力达到一定水平时,岩石经过衰减蠕变和稳态蠕变之后发生加速蠕变破坏。不同围压下蠕变破坏特征不同,尤其是加速蠕变启动时间的差别较大,据此提出加速蠕变启动元件。通过将加速蠕变启动元件与Burgers模型串联,建立一个新的岩石六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并从理论上对其蠕变力学特性进行讨论。推导三维应力状态下的岩石蠕变本构模型公式,研究蠕变参数辨识方法。通过与试验曲线的比较,显示所建非线性蠕变模型的正确性与合理性。

改进的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型及其硬化黏滞系数的修正

基于蠕变过程中的硬化-损伤机制,在对江西东乡铜矿砂质页岩单轴循环加卸载蠕变试验数据分析过程中,提出硬化-损伤效应的时效机制,并基于此对高应力条件下衰减蠕变阶段的黏滞系数(硬化黏滞系数)进行修正;结合定常蠕变阶段的损伤蠕变机制,提出高应力条件下岩石损伤效应的累积-扩散机理,并据此引入以累积损伤蠕变量为判定准则的加速蠕变触发模型(非线性蠕变体)描述岩石的不稳定蠕变特征。在此基础上,引入瞬时塑性元件,与虎克体和黏弹塑性体串联,建立了一个能够完整描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。试验曲线与模型曲线较吻合,说明对高应力下硬化黏滞系数修正的必要性,改进非线性蠕变体的正确性与合理性。

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。

基于统计损伤原理的岩石加速蠕变模型研究

针对现有蠕变理论模型无法较好地描述岩石黏塑性阶段的加速蠕变特性及如何确定岩石加速蠕变阶段的启动条件等问题,对取自阜新恒大煤矿深部围岩开展了室内三轴蠕变试验,分析了岩石在蠕变变形规律。为了使建立的模型不仅较好地描述岩石蠕变特性,也可以较好与经典蠕变曲线各阶段相对应,通过经典的蠕变变形示意定义了各个分段临界点的指标,进而建立了一种考虑加速蠕变变形的新型岩石黏弹塑性蠕变模型。结果表明:在考虑岩土类内部缺陷发育的基础上,采用统计损伤理论来构建岩石加速蠕变模型,使得试验曲线也与模型曲线具有良好的吻合度,说明了基于统计损伤原理建立的岩石加速蠕变模型,来反映岩石蠕变全过程曲线是正确的;这也证明了采用统计损伤变量和经典蠕变曲线定义的临界点指标的正确性。岩石蠕变加载过程也是一种岩石内部微元体损伤破坏的过程,在材料微观结构上表现为不可逆性。通过将蠕变曲线分阶段,来定义分段临界点的损伤变量的表达形式,结合统计损伤理论和Perzyna黏塑性模型,对传统的西原体模型进行适当的改进,建立非线性蠕变损伤模型,从而更好地体现了损伤受岩石内部应力应变状态影响和损伤演化规律。

人工制备遗址土非线性蠕变本构模型研究

通过三轴蠕变试验,研究了糯米浆掺入量对人工制备遗址土三轴蠕变特性的影响。试验结果表明,在添加了一定量的糯米浆后,人工制备遗址土三轴蠕变量明显减小,稳定时间增长。随着添加糯米浆质量的增加,人工制备遗址土的蠕变量呈现出先减小后增大的趋势,在土与糯米浆质量比为90∶10时,蠕变量达到最小。人工制备遗址土三轴蠕变具有明显的非线性,时间越长,非线性越强。将总的变形分解为线性黏弹性变形、线性黏塑性变形和非线性黏塑性变形,利用模型理论描述其线性应变部分,非线性部分采用经验公式,建立了适合人工制备遗址土三轴蠕变特性的非线性半经验半理论黏弹塑性蠕变本构模型。该模型能较好的描述人工制备遗址土三轴蠕变特性,此非线性蠕变模型以元件模型为骨架,经验公式是对理论模型的非线性修正,具有较高的适用性。

大埋深隧洞泥质粉砂岩的三轴蠕变试验与理论分析

为揭示滇中引水工程香炉山隧洞围岩的非线性蠕变力学特性,对大埋深香炉山隧洞深度1 km处T_(3)sn泥质粉砂岩开展室内三轴蠕变试验,根据试验结果分析不同应力水平下岩样轴向应变随时间的变化规律。通过对试验曲线进行模型辨识,引入开关元件,并与Burgers模型结合形成修正的Burgers模型,将修正的Burgers模型与新提出的非线性黏塑性体串联最终形成非线性黏弹塑性蠕变模型(NVEPB蠕变模型)。通过对NVEPB蠕变模型的本构方程进行Laplace变换,推导NVEPB蠕变模型的一维蠕变方程。通过引入塑性力学知识并结合假设条件,获得NVEPB蠕变模型的三维蠕变方程和常规三轴应力状态下的蠕变方程。借助Origin平台,将NVEPB蠕变模型在常规三轴应力状态下的蠕变方程编程并嵌入其内置的非线性拟合模块,实现蠕变方程的二次开发。通过Origin平台的Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法反演获得模型的蠕变力学参数,并将反演拟合计算结果与蠕变试验结果进行对比分析。研究结果表明:NVEPB蠕变模型的拟合曲线和蠕变试验结果高度吻合,拟合系数均在0.94以上,较好地揭示了滇中引水大埋深隧洞围岩的非线性蠕变力学特性。

深埋大变形隧道炭质板岩蠕变特性试验

针对深埋隧道中厚层炭质板岩蠕变特性,进行三轴压缩强度试验与三轴蠕变试验,建立能反映时间损伤的炭质板岩蠕变模型,进而为后续的深埋隧道时空效应分析提供蠕变模型与参数。结果表明,炭质板岩峰值强度较高,峰后出现应变软化,破坏时出现明显剪切破裂面。蠕变试验显示,随着加载应力水平提高,轴向与侧向均出现衰减蠕变、稳态蠕变及加速蠕变,侧向与轴向应变之间的关系由近似线性增加趋于破坏应力水平时的非线性增加。轴向蠕变存在起始应力阈值,约为同围压下瞬时抗压强度的60%,侧向蠕变起始应力阈值约为轴向的50%,侧向加速蠕变比轴向加速蠕变发生略早。在Burgers模型中引入反映力学参数随时间损伤劣化的损伤因子,建立了变参数Burgers蠕变损伤模型,损伤蠕变模型对试验数据的拟合效果优于定常Burgers模型。将变参数Burgers蠕变损伤模型串联一个由非线性黏壶与塑性元件并联而成的非线性粘塑性体,建立了非线性粘弹塑性蠕变损伤模型,该模型较好的描述了炭质板岩的加速蠕变,可用于后续的隧道大变形时空效应分析。