温度-应力耦合作用下深部盐岩蠕变损伤模型

随着我国盐岩储库工程的兴建,浅部适宜矿床逐渐利用殆尽,盐岩储库向深部发展成为必然趋势。为了研究深部盐岩储库实际运营过程中,围岩在三向地应力和温度耦合作用下的蠕变损伤特征,进行了不同温度和应力耦合作用下深部盐岩的三轴蠕变试验。考虑温度和应力对深部盐岩蠕变损伤的影响,认为温度损伤伴随蠕变全过程,所处应力状态达到屈服极限时应力损伤开始发挥作用,且温度和应力与损伤变量之间分别满足Weibull分布和负指数函数的关系。引入分数阶Abel黏壶改进西原正夫模型,建立了一种新的考虑温度-应力耦合效应的黏弹塑性蠕变损伤模型。该模型不仅形式简单,且每个参数都有明确的物理意义,方便模型在数值计算和工程实践中的应用。结果表明:深部盐岩的稳态蠕变率是偏应力和温度的函数,拟合出稳态蠕变应变率本构方程中材料参数A=32.39 MPa-4.83/h、激活自由能Q=7.84×10^(4) kJ/mol、蠕变应力指数n=4.83;不同温度和应力下的黏弹塑性蠕变损伤模型的理论解析解与对应试验数据有良好的吻合度,验证了模型的正确性和精确度。通过蠕变损伤模型各力学元件拟合参数结果验证了温度和应力对岩石蠕变性能的影响规律,证明了所建模型的合理性。所建模型不仅可以精确表征岩石的衰减和稳态蠕变阶段,也能较好地描述加速蠕变阶段的变形特性。

变参数蠕变损伤本构模型及其工程应用

考虑岩体的流变损伤劣化效应,建立一个变参数的蠕变损伤本构模型,该模型将岩体流变力学参数看作是非定常的,认为岩体流变参数随时间逐渐弱化,从而直观反映材料的损伤劣化过程。推导该蠕变损伤本构模型的三维差分表达式,并通过C++与FISH编程对有限差分软件FLAC3D进行二次开发,实现本构模型的程序化。将该模型应用于大岗山水电站坝基边坡工程,基于现场压缩蠕变试验,反演坝区岩体的蠕变损伤参数,通过坝区边坡开挖三维蠕变损伤稳定性计算,获得对边坡开挖设计和施工具有指导意义的建议和结论。

坝肩高边坡层间错动带剪切蠕变特性与模型研究

高坝工程坝肩边坡岩体深部层间错动带的蠕变力学特性与蠕变损伤特性,直接影响着水电工程的长期稳定性与整体安全性。以某坝肩高边坡岩体层间错动带的剪切蠕变力学试验为基础,研究了层间错动带的剪切蠕变力学特性,分析了层间错动带的长期剪切强度参数和加速蠕变特性及蠕变速率变化特征;通过对层间错动带加速蠕变过程中损伤演化特性的分析,研究了考虑层间错动带岩体力学参数弱化和伴随加速蠕变变化的蠕变损伤效应,并基于西原流变模型和蠕变损伤演化方程,建立了能够反映高边坡层间错动带蠕变损伤演化过程的本构模型;而后通过对比数据拟合结果与试验结果,对提出的本构模型进行验证,显示所建立本构模型的正确性与合理性。

基于塑性扩张的岩石变参数蠕变损伤模型与工程应用

为研究岩石蠕变损伤过程与围岩塑性区扩展之间的内在联系,建立基于塑性扩张的变参数蠕变损伤模型（BNMC模型）,该模型认为岩石塑性屈服面随蠕变时间动态变化,在σ-τ空间内,强度包络线随蠕变时间的增加而逐渐内移。采用线性插值法对该模型各蠕变参数进行处理,获得任意连续偏应力水平对应的蠕变模型参数,从而实现BNMC模型的数值化。采用该模型对金川二矿区-1 098 m水平中段下盘运输巷的蠕变变形进行数值模拟,对比研究未支护裸巷和喷锚支护巷道的蠕变变形规律。研究发现,未支护裸巷围岩塑性区边界不是一成不变的,而是随时间的发展,塑性区边界逐渐向外扩张,围岩承载力逐渐下降,从而导致围岩加速蠕变显现,巷道蠕变失稳;通过对喷锚支护巷道的蠕变数值模拟结果和多点位移计实测结果的对比,发现数值模拟曲线与实测曲线在走势上基本吻合,但在量值上实测蠕变位移值要略大于数值模拟结果;由于支护与围岩的相互作用,支护在一定程度上改变了围岩的偏应力状态和位移,阻止了围岩塑性区边界扩张,喷锚支护巷道在0-200 d的蠕变计算时段内,未呈现出加速蠕变性态。

蠕变参数劣化的时效性及变参数蠕变模型

为研究深部岩石在复杂条件下的蠕变特性,采用MTS812.02试验机对岩石进行三轴蠕变试验。在分析蠕变曲线特征的基础上,结合岩石流变力学和损伤理论,将黏弹塑性损伤元件引入蠕变模型,提出确定蠕变参数的方法,实现对岩石蠕变曲线全过程的描述。结果表明:黏弹塑性损伤元件为描述岩石蠕变曲线全过程提供了一个新思路;改进的模型可考虑过应力差和时间的双重影响,进而得到蠕变参数与过应力差和时间的关系,更好地反映了岩石在蠕变过程中蠕变特性参数随时间和过应力差乘积变化而呈现的损伤劣化特性,进一步揭示了蠕变变形破坏的内在机理,也预测了岩石蠕变参数随时间和应力变化的规律;将蠕变参数拟合公式代入到原有蠕变损伤模型中,建立考虑应力和时间对蠕变参数双重影响的损伤蠕变模型;通过改进黏弹塑性损伤元件的损伤演化方程,更好地反映了岩石在蠕变过程中的损伤程度。此外,通过分析蠕变参数与应力和时间之间的变化关系,提出确定蠕变参数的新方法,得到了蠕变参数的劣化特征,更加明确了蠕变参数的物理意义;通过对比试验结果和模型计算结果,得出模型曲线在高应力状态下和试验曲线具有良好的吻合度,验证了改进的蠕变模型的正确性和蠕变参数确定方法的合理性。

高地应力下花岗质片麻岩蠕变损伤模型研究

高海拔地区深埋隧道的花岗质片麻岩在高地应力条件下具有较强的蠕变力学特性,易导致隧道结构开裂,对结构的安全性和耐久性影响较大。在花岗质片麻岩基本力学特性试验的基础上,对其开展了高围压下的三轴蠕变试验。研究表明:随着围压的增大,轴向蠕变量减小显著,环向蠕变量受影响较小;不同围压下的加速蠕变阶段,环向蠕变效应均比轴向更显著;破裂面倾角随围压的增大逐渐减小。基于蠕变试验结果,分析了花岗质片麻岩的损伤演化规律,提出了指数型损伤变量,将传统Burgers蠕变模型改进为能够描述加速蠕变段的全损伤蠕变模型,并推导了一维和三维蠕变损伤方程,利用加速蠕变阶段的试验数据对模型进行了参数识别,拟合效果较好。

基于变蠕变参数的巷道围岩蠕变模型研究

为了研究四川华蓥煤矿巷道围岩在不同围压特性条件下的蠕变特性,采用TAW-2000试验系统对砂岩进行三轴蠕变试验。以改进的西原模型为基础,通过引入损伤变量与时间的关系,对模型蠕变参数进行非定常化,得到改进后的变参数蠕变时效性模型。结果表明:建立的变参数时效性蠕变模型不仅可以描述岩石衰减蠕变和稳定蠕变变形特性,也弥补了传统蠕变模型无法描述加速蠕变特性的缺点,且很好地预测蠕变变形发展规律;模型与试验曲线良好吻合度,说明了该模型的正确性与合理性。

高黏弹沥青砂蠕变损伤模型

应用Kachanov损伤模型表征沥青砂损伤的增长变化律,将Burgers模型与损伤因子进行耦合,构建出能够描述高黏弹沥青砂3阶段蠕变全过程的蠕变损伤模型.借助高黏弹沥青砂的弯曲蠕变试验数据,利用最小二乘法,得到相关模型系数和蠕变损伤演化曲线.将此蠕变损伤模型曲线与试验结果及Burgers模型曲线进行对比研究.结果表明:该蠕变损伤模型能准确描述高黏弹沥青砂的蠕变3阶段特性,拟合相关系数达到0.998.

豫南燕山期花岗岩蠕变特性及非线性蠕变损伤模型

豫南信阳地区燕山期高钾钙碱性I型花岗岩分布广泛,岩石性质对深埋地下洞室围岩开挖及支护设计具有重要影响。以豫南某大型水电站地下厂房区花岗岩为研究对象,在对其地质分布情况及矿物成分调查测试基础上,进行三轴压缩蠕变试验,揭示了围岩蠕变特性及加载过程中的损伤演化性质,采用等时曲线法进行花岗岩蠕变长期强度分析。考虑蠕变过程中岩石发生的损伤累积,建立变黏性系数的黏壶元件,并代替传统西原正夫模型中Newton黏壶,构建了能够描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型。结果表明:在整个蠕变过程中,花岗岩的总变形量以瞬时弹性变形为主,最终的蠕变破坏表现出脆性剪切破坏的特征;围压对剪切裂缝的扩展具有主要抑制作用;长期强度随围压增大而减小,与常规三轴试验结果相比,长期强度分别下降6.37%和21.0%;采用Levenberg-Marquardt优化算法+通用全局优化算法对非线性蠕变损伤模型进行参数辨识及拟合,理论值与试验值吻合较好,验证了非线性蠕变损伤模型对于岩石全过程蠕变特征描述的合理性及适用性。研究成果对保障豫南燕山期花岗岩地区的工程建设优化设计和安全建设具有重要意义。

含水弱化的软岩变参数蠕变损伤模型研究

为准确描述软岩受水弱化作用影响的蠕变特性,基于西原模型,引入与含水率有关的损伤变量Dω以及与时间相关的损伤变量Dt,建立了考虑软岩含水劣化效应的变参数蠕变本构模型,并采用参数反演的方法对模型的合理性和正确性进行了验证。研究表明:水的存在导致软岩蠕变量增加,到达稳定蠕变的时间延长;改进的蠕变损伤模型在不同含水状态和不同应力等级下的拟合曲线与试验曲线都十分吻合;该模型可以较好地描述蠕变全过程尤其是加速蠕变阶段。开展含水弱化软岩蠕变损伤本构关系的研究,将为进一步认识软岩的流变特性提供一定的理论依据。

不同围压和层理下板岩三轴蠕变试验及损伤模型研究

为了研究围压和层理对板岩三轴蠕变特性的影响,制备了最大主应力方向与层理夹角为0°和90°的2组岩样(0°为平行组;90°为垂直组),分别进行5 MPa、10 MPa、15 MPa围压下的三轴蠕变试验。结果显示:板岩在三轴应力条件下的蠕变具有瞬时弹性阶段、稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段这三个阶段特征;在同一围压下,垂直组试样加载级数大于平行组岩样加载级数;垂直组试样的瞬时弹性应变高于平行组试样;垂直组试样的累计蠕变应变均低于平行组试样。计算长期强度与峰值强度的比值得到垂直组试样的强度损伤低于平行组试样;围压越高,试样蠕变变形越小,峰值强度和长期强度越高。基于Kachanov蠕变损伤理论,考虑层理角度的损伤,引进一个弹塑性损伤元件,建立了描述不同层理角度板岩蠕变过程的改进西原模型,用该模型对试验数据进行拟合,结果表明:模型能够较好地反映蠕变三阶段;垂直组试样的弹性模量、黏滞系数比平行组试样相对较大,蠕变参数基本随着围压的增大而增大,体现了围压效应,这与试验结果相吻合。

变载条件下镍基单晶合金蠕变本构建模方法

针对镍基单晶合金在变载条件下的蠕变计算问题,基于"等损伤"假设提出了一种用于变应力/温度条件下的硬化准则,并与耦合损伤的蠕变模型相结合。采用Arrhenius对数关系式对蠕变应变速率进行温度内插,使之能够用于给定温度范围的蠕变计算。将上述蠕变模型编写为ABAQUS/UMAT用户子程序,利用DD3,CMSX-4,DD6和DDXX共4种单晶合金的蠕变试验数据,验证了子程序对不同温度和应力、不同晶体取向、变应力/温度条件下单晶合金蠕变曲线的模拟能力。结果显示:该蠕变模型能够精确模拟单晶合金在较宽温度范围和不同晶体取向的蠕变曲线;相比于传统蠕变模型,该蠕变模型更加简单有效,对于变应力/温度条件下单晶合金的蠕变行为具有较高的模拟精度;所开发的子程序可用于单晶涡轮叶片在变工况条件下的蠕变响应分析。

川西康定—新都桥段菠茨沟组板岩蠕变特性及损伤模型

岩石的蠕变特性与岩体的长期稳定性有着密切联系。随着我国西部地区各深埋隧道的开挖,为保证工程安全性及地下建筑的长期稳定,迫切需要开展复杂应力状态下岩石蠕变特性的研究。传统的蠕变本构模型难以对岩石加速蠕变阶段进行准确的描述,且现有蠕变模型难以对菠茨沟组板岩的蠕变特性进行有针对性的拟合。因此,选取川西康定—新都桥段菠茨沟组板岩为研究对象,在查明地质环境背景和岩石矿物成分基础上开展了卸荷蠕变试验,分析了菠茨沟组板岩在卸荷条件下的变形特征,揭示了板岩蠕变特性及卸荷过程中的损伤演化规律;考虑卸荷蠕变过程中的损伤累积效应,引入损伤变量,对传统西原模型中牛顿体元件进行改进,建立能描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型。研究表明:卸荷条件下,板岩变形以瞬时弹性应变为主,随偏应力水平增加蠕变现象显著增强;板岩的长期强度有20.2%~27.1%折减;采用1-stOpt对非线性蠕变损伤模型进行参数辨识,拟合理论曲线与试验值吻合度较高,相关系数达到0.945;损伤变量引入后,改进的非线性蠕变损伤模型可以较合理地描述研究区板岩卸荷蠕变特性。该研究可为相关工况下围岩稳定性分析提供理论依据。

砂岩变参数蠕变损伤特性分析

采用MTS815.02试验机对砂岩进行室内常规三轴压缩蠕变试验.在西原体基础之上,根据应变等效性假说引入损伤变量,并且将损伤变量视为一个只与关于偏应力和时间的函数,研究岩石损伤体在不同应力水平和不同时刻作用下,其损伤扩展发育规律(损伤变量变化情况).研究结果表明:根据试验数据和损伤蠕变方程,通过软件Origin对蠕变参数进行反演,得出损伤变参数方程可以较好地描述岩石蠕变变形衰减、稳定和加速三个阶段,并且在低应力作用下岩石损伤变量D变化量较为平缓,岩石内部缺陷发育缓慢,而高应力水平作用下岩石初始时损伤较小,随着时间推移损伤变量骤然增大为1,随后岩石发生破坏.将损伤变量视为变参数不仅验证建立模型的合理性,而且还很好地反映了岩石损伤劣化过程.

酸蚀作用下红砂岩的非线性蠕变损伤本构模型研究

为探究红砂岩在酸蚀作用下的蠕变特性,根据损伤力学理论,将红砂岩中氧化钙在单位时间内的损失量作为化学损伤的依据;通过化学动力学中的表观反应速率理论,考虑浸泡红砂岩的化学溶液初始pH值和浸泡时间,推导出氧化钙损失量随时间变化的表达式,从而实现化学损伤因子的定量化。针对红砂岩在蠕变过程中的应力损伤,提出了应力损伤演化方程及加速蠕变时间阈值。在传统蠕变本构模型的基础上串并联基本元件,并将化学损伤因子与应力损伤因子引入蠕变本构模型中,建立了酸蚀作用下红砂岩的非线性蠕变损伤本构模型。最后,通过分析酸性溶液浸泡后红砂岩的三轴压缩蠕变试验数据,对所建模型进行参数辨识及验证,结果表明,本文所提出的蠕变模型能较好地描述红砂岩在酸蚀作用下的蠕变特性,具有一定的合理性与可靠性。

考虑时效损伤的硬岩非线性蠕变本构模型研究

为探究硬岩蠕变全过程中各阶段的变形特征,对硬质凝灰岩开展恒围压、分级升轴压的室内蠕变试验。通过不同应力路径下硬岩蠕变特征分析,结合扫描电镜(SEM)测试探讨岩石细观损伤演化机制与宏观破坏特征之间的关系;基于蠕变过程中岩石力学性能随时间的劣化效应,引入损伤变量构建能描述硬岩蠕变全过程的损伤本构模型;引入优化的BP神经网络模型,改善模型参数的识别与预测效果。研究结果表明:随偏应力水平提高,硬质凝灰岩表现出较为明显的脆–延性变形转化特征,且岩石蠕变现象更加明显;在较高偏应力持续作用下,岩石损伤累积与力学性能劣化更加充分,进而引起破坏阶段硬质凝灰岩的加速蠕变特征随围压增加而突显,硬岩破坏变得更加剧烈。改进后的损伤本构模型与Burgers模型相比能更好地描述硬岩蠕变全过程,基于优化后的BP神经网络模型,能准确预测高应力水平下硬岩的加速蠕变曲线,提高了模型的适用性。研究成果不仅丰富了硬岩蠕变本构模型的理论研究,还可为硬岩地层中工程岩体长期稳定性设计提供理论支持。

岩石非定常Cvisc蠕变模型及其参数反演方法

岩石蠕变在应力的长期作用下可能会有衰减蠕变、稳态蠕变、加速蠕变3个阶段,FLAC 3D软件中的Cvisc模型可以较好地模拟岩石在衰减蠕变和稳态蠕变阶段的表现,但在描述加速蠕变阶段时存在明显不足。鉴于此,通过调整Cvisc模型的黏滞系数对其进行非定常化处理,使其具备描述岩石加速蠕变特性的能力,并推导相应的三维蠕变方程。同时,为了获取非定常Cvisc模型的围岩蠕变参数,利用BP-PSO算法建立蠕变参数反演神经网络模型,根据现场隧道拱顶沉降监测数据验证该算法的合理性,并对非定常Cvisc模型与原Cvisc模型在预测拱顶沉降时的表现进行对比分析。结果显示,非定常Cvisc模型对岩石加速蠕变阶段的拟合效果显著优于原Cvisc模型,能够更精确地描述岩石包括加速蠕变阶段在内的整个蠕变过程。

考虑含水劣化效应的浅变质板岩蠕变本构模型研究

基于不同含水状态下浅变质板岩单轴蠕变特性的试验研究结果,考虑水对浅变质板岩蠕变参数的劣化效应,分析蠕变参数随饱和度的变化规律并建立数学关系式。研究表明:饱和度越大,瞬时弹性模量、黏性模量以及黏滞系数越小,其中瞬时弹性模量与饱和度线性负相关,而黏性模量和黏滞系数与饱和度呈负指数相关。将岩石受水影响的劣化效应定义为对各个蠕变参数的损伤,结合试验结果确立损伤变量和损伤演化方程,并基于浅变质板岩蠕变方程建立可考虑含水损伤劣化的岩石蠕变本构模型。利用FLAC3D二次开发平台实现本构模型的程序化,通过数值模拟试验验证模型和程序的合理性,研究结果可为工区隧道施工期围岩流变特性的研究提供依据。

沥青砂粘弹塑蠕变损伤本构模型实验研究

针对沥青砂的非线性材料特性,结合连续损伤力学理论,对传统Burgers模型进行改造,提出了粘弹塑蠕变损伤本构模型,通过对不同实验条件下沥青砂单轴蠕变试验结果的非线性拟合,获得模型参数,然后利用模型进行预测分析,得到了不同应力水平与环境温度下的蠕变曲线和损伤演化曲线,通过比较发现该文模型能够更合理地反映沥青砂加速蠕变的非线性特征,而且蠕变过程中损伤演化的速度受蠕变时间、应力水平与环境温度的影响很大。

岩石含水蠕变损伤模型的开发与应用

为研究岩石含水率对蠕变的影响,将含水开关与蠕变损伤阀值引入蠕变模型,实现了含水劣化与蠕变损伤在本构关系上的耦合,建立了岩石含水蠕变损伤模型.模型与某软岩的三轴压缩蠕变试验结果取得了较好的拟合效果,并由麦夸特法+通用全局优化(LM-UGO)算法反演出了模型参数随岩石含水率的变化规律.在C^++语言和FLAC^3D中Fish语言的环境下,通过推导模型本构方程的三维差分形式,并利用FLAC^3D所提供的接口实现了模型的二次开发.通过对开发的岩石含水蠕变损伤模型进行算例验证和分析,验证了模型的可靠性,也得出了软岩巷道蠕变变形随围岩含水率增大而增加的结论,进一步反映出蠕变模拟计算中考虑岩石含水率的必要性.