基于蠕变曲线对称的蠕变模型研究及参数敏感性分析

为了获得滇中引水隧洞围岩的蠕变特性和研究隧洞围岩的长期稳定性,采用中国科学院武汉岩土所自主研发的全自动三轴开展绿泥页岩的单轴蠕变试验,获得了绿泥页岩的轴向蠕变曲线和等时应力-应变曲线,并基于等时应力-应变曲线的特征确定出绿泥页岩的长期强度值。基于经典蠕变曲线特征与大量试验蠕变曲线,发现描述衰减蠕变曲线的方程可以通过对称处理,故假设加速曲线与衰减蠕变曲线是关于稳定蠕变曲线的中点对称的,得到一种基于蠕变曲线对称的加速蠕变模型,并基于蠕变试验曲线的特征提出一套确定蠕变模型参数的方法。最后,将引入加速蠕变模型中的参数进行敏感性分析,使得引入模型中的参数具有明确的物理意义。结果表明:随着轴向应力的不断增大,岩石的瞬时应变值和蠕变变形值不断增大,而第一级荷载作用下岩石的瞬时应变占蠕变总变形比值最大。所建立的蠕变模型不仅可以很好地描述绿泥页岩的衰减蠕变和稳定蠕变变形规律,也较好地弥补了西原模型无法描述加速蠕变的缺陷,且该模型曲线与试验曲线的吻合度要远远高于西原模型与试验曲线的吻合度,并且不同应力作用下模型曲线与试验曲线的相关性系数均在0.90以上;同时,通过不同类型试验曲线与模型曲线的验证也说明了该模型是可用于不同类型岩石蠕变曲线的预测。最终,引入参数j值控制了加速蠕变的变形速率和进入加速蠕变的时间,参数k值控制了蠕变时间和加速阶段的蠕变速率。

流固耦合作用下裂隙砂岩蠕变损伤特征及颗粒流模型研究

自然界中的裂隙岩体常与裂隙水形成耦合作用,对岩体工程的长期稳定性产生严重影响。为分析富水环境下裂隙砂岩的蠕变损伤特征,对预制裂隙砂岩开展流固耦合蠕变试验,并基于颗粒流基本原理构建PSC-CFD流固耦合蠕变模型。利用PSC-CFD模型开展流固耦合数值模拟,进一步分析了裂隙岩体流固耦合作用下裂纹的扩展规律,提出蠕变损伤的定量评价方法。研究结果表明,随着渗透水压的增加,裂隙岩体的蠕变特征越来越明显,随着裂隙倾角的增加,裂隙岩体损伤破坏特征出现先增后减的趋势;PSC-CFD模型对衰减速率β1、β2为及拉伸强度σa尤为敏感,平行黏结断裂时间主要受三者控制;岩体损伤变量随渗透压力的增加而逐渐减小,随裂隙倾角的增加出现先增后减的趋势,当裂隙倾角为30°左右时达到最小值。研究成果可为岩体工程大变形机理分析及长期稳定性控制提供一定的理论依据及参考。

抽水蓄能电站蚀变岩力学特征及工程性能研究

蚀变岩体的存在对抽水蓄能电站工程岩体的稳定性有重要影响。通过室内压缩试验、剪切试验、蠕变试验、渗透试验及现场饱和剪切试验、干湿循环剪切试验等手段,分析了不同蚀变程度岩体力学特征。试验结果表明:强蚀变、弱蚀变、微蚀变岩体饱和抗压强度平均值分别为为0.2、37.9、71.8 MPa,其工程性状分别和残坡积风化物、强风化、弱风化等岩体相似;弱蚀变岩体由于矿物颗粒较粗,其内摩擦角43.10°~46.55°,比微蚀变内摩擦角39.2°~42.8°,有一定程度的增加;在抗渗透变形破坏方面,强蚀变岩体重塑样的临界渗透破坏坡降在5.356~9.773,具有碎石、砂土等渗透变形破坏特征;强蚀变岩体具有蠕变效应,强度随时间存在降低;强蚀变岩体水理化特征较明显,干湿循环后,抗剪强度出现降低0%~6%。基于蚀变岩体工程力学性能特征,建立了蚀变岩体的工程性能分级量化指标,研究成果对工程处置具有较好的指导意义。

瓦斯抽采钻孔孔周煤岩体损伤破坏试验

为研究瓦斯抽采钻孔蠕变失稳特性,采用数字散斑系统观测孔周煤岩体裂纹在扩展过程中的损伤破坏及蠕变过程,得到孔周煤岩体的损伤演化及蠕变力学特性规律。将煤样破坏分为缓慢型、间断型和瞬间破坏型,3个类型的煤样损伤破坏产生的裂隙主要由沿x方向应变引起,其中在不同的发育阶段损伤累积增加导致裂隙发育程度也不同,最终形成了煤样表面的不同破坏类型。在恒载应力下,随着蠕变时间推移,煤岩体的变形能力、变形空间都逐渐减弱,映射了现场的孔周煤岩体的抗压抗变形能力与蠕变时间的关系。

岩体蠕变结构效应的数值模拟研究

采用数值模拟试验方法对岩体结构的蠕变力学效应进行研究。通过对均质岩体、不同分布产状和数量的结构面试件进行单轴、三轴压缩蠕变试验的计算机仿真,探讨岩体蠕变的结构效应、围压效应以及不同结构条件下岩体的蠕变变形规律与破坏特征等。结果显示,结构面产状对岩体流变性态的影响十分显著,它不仅明显改变岩体的蠕变强度、位移形态,而且控制着岩体的破坏模式及破坏条件。大多数试件的蠕变曲线与实验室或现场得到的岩石单轴、三轴压缩蠕变曲线特征基本相似;各试件之间由于结构面产状、侧向应力水平等的不同其蠕变曲线型式在高应力状态下有所差异。

岩石时间硬化损伤蠕变特性

分析岩石蠕变过程中的非线性损伤特征,在各向同性的蠕变方程中引入时间硬化,采用应变等效原理,推导出时间硬化条件下的岩石蠕变方程,利用该方程可以同时描述岩石蠕变曲线的初始蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个阶段,并进行了参变曲线数值求解和参数特性分析,利用该方程拟合了某页岩三轴蠕变实验数据,同时揭示了蠕变现象的非线性本质.结果表明:利用该方程可以较好地模拟岩石蠕变曲线的3个阶段.

基于岩体蠕变试验的Burgers改进模型

以湖北潘口水电站进水口边坡岩体为研究对象进行室内蠕变试验,得到岩样的应力-应变曲线和相应的力学参数;对本构模型进行分析,提出改进方法。在Mohr-Coulomb准则(M-C准则)基础上引入新的M-C塑性元件,提出Burgers改进蠕变模型。研究结果表明:白云石英片岩和绿泥钠长片岩具有明显的蠕变特性,在不同级别的荷载力加载下,加载应力与应变以比例方式增大;这2种岩体材料同时具有黏塑、瞬塑、瞬弹和黏弹特性,这4种特性随着应力增大也呈增强趋势;这2种岩体材料在饱和状态下蠕变现象更明显;Burgers改进蠕变模型能够对黏弹塑性偏量特征及弹塑性体积进行模拟。

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明:围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。

深部岩体分区碎裂化进程的时间效应研究

论文对现场观测和相似材料模拟实验中岩石分区碎裂化的时间效应进行了总结。得出岩石分区碎裂化现象是岩体经蠕变产生的。破碎带的形成需要经过一定的时间。但这段时间不会很长。采用蠕变理论对岩石分区碎裂化的时间效应进行了分析,推导了能够描述加速蠕变阶段的流变模型———改进的西原模型的本构方程和蠕变方程。在此基础上求出了岩石分区破裂化发生时破裂带半径(破碎带距巷道中心的距离)的公式。

规则齿形结构面的蠕变特性试验研究

通过规则齿形结构面在双轴应力条件下的蠕变试验,对规则齿形结构面剪切蠕变特性进行了深入的研究,分析了规则齿形结构面蠕变的基本规律。在分析对比的基础上选取Burgers模型作为研究的重点来反映岩体的蠕 变特性,通过数值分析计算出模型参数,模型曲线和试验数据得到了很好的拟合。

龙滩水电站左岸蠕变体B区边坡位移监测分析

结合地下水位监测与降雨量监测结果,对龙滩水电站左岸蠕变体B区边坡位移监测资料进行综合分析,认为边坡蠕变岩体位移主要发生在高程520m以上,且强风化线或蠕变岩体折断面控制着边坡岩体的变形,由于边坡排水、坡体压脚,岩体变形速率逐渐变小,目前已经基本稳定。应加强边坡强风化线或蠕变岩体折断面附近的位移监测,特别是蓄水期监测;同时要保证地表和地下排水系统的正常运行。

龙滩水电站蠕变体边坡的爆破振动控制研究

对龙滩水电站蠕变体边坡的爆破振动进行观测、分析和处理,得到了爆破地震波衰减经验公式。根据该蠕变体边坡的特点,提出了爆破振动破坏标准。由经验公式和破坏标准,得出了蠕变体边坡新浇混凝土支护区爆破安全控制参量。最后结合该蠕变体边坡爆破实际,建议了爆破降震措施。从工程实施的效果来看,本文的研究成果与结论得到了较好的应用,保障了该工程爆破的顺利完成。

官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形测试分析

以大量实测资料为基础,分析官庄铁矿北区深埋破碎厚矿体开采引起的围岩变形和地表移动规律。实测结果表明,官庄铁矿北区地表下沉属于连续下沉,岩层破坏主要是缓慢型破坏。分析过程中,把几种实测分析方法和数值分析法有机结合在一起,形成岩体移动变形综合研究方法,对地下开采引起的岩体移动机制进行具体分析。分析中所采用的实测分析类方法包括蠕变试验分析、地表移动观测分析、围岩变形监测分析、原岩应力量测分析;数值分析类方法包括ANSYS和FLAC。结合官庄铁矿工程实例,通过具体测试分析,探讨深部开采岩体移动变形规律及特点,即深部开采覆岩移动变形具有均匀、整体压缩变形等特点,地表移动连续且周期较长。实践证明,所采用的综合研究方法是分析岩体移动和地表下沉机制的有效途径。

结构面的剪切蠕变特性及本构模型研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义,结构面的蠕变力学性态往往控制着岩体的时效变形和长期强度,研究结构面的剪切蠕变特性是岩石流变学的一项重要内容。通过规则齿形结构面在不同法向应力条件下的剪切蠕变试验,研究了不同角度结构面的剪切蠕变特征,并根据蠕变试验结果,对结构面的剪切蠕变特性进行了描述,对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行了研究。研究表明,结构面在蠕变试验过程中,严格意义下的稳态蠕变是不存在的,常说的稳态蠕变实际上是蠕变速度随时间缓慢减小的近似稳态蠕变过程。最后,提出改进Burgers模型来描述蠕变的剪切蠕变特性,并讨论了改进的Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。

工程岩体非线性蠕变损伤力学模型及其应用

针对元件组合流变模型多半反映的是蠕变线性关系或发生加速蠕变时间过快的不足,根据工程现场压缩蠕变试验成果,提出工程岩体流变效应的损伤因子,建立非线性损伤黏弹塑性本构模型,通过ABAQUS编制程序并采用压缩蠕变试验的数值模拟,验证蠕变模型和编制程序的正确性。最后,将此非线性蠕变损伤模型应用于大岗山水电站地下厂房的施工开挖全过程的数值仿真,并对考虑损伤和未考虑损伤2种工况的计算结果进行对比分析,结果表明,考虑岩体损伤工况下的围岩体塑性屈服范围和程度、洞壁位移值趋势能更客观地反映工程岩体的变形和破坏特征。

规则岩体结构面的蠕变特性研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。

结构面的剪切蠕变特性研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。本文利用水泥砂浆制作的规则齿形结构面试样进行了剪切蠕变室内试验,针对不同角度结构面试件在不同法向应力条件下的剪切蠕变特性进行了研究,并根据蠕变试验结果,提出了结构面剪切蠕变经验公式;对结构面的长期强度特性进行研究,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性,文章最后讨论了Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的参数特征。

含水岩体非线性蠕变损伤模型及应用

岩体含水是岩体失稳的重要因素之一。将传统西原模型的线性牛顿体改为非线性牛顿体,克服了传统西原模型不能反映加速蠕变阶段非线性特征的缺点;考虑水对岩体蠕变的影响,将改进西原模型的模型参数设为含水率的函数并引入P元件,P元件所产生的变形代表是由水压的作用引起的变形量;为了量化水压对蠕变变形的影响提出水化因子λ的概念;蠕变过程中岩体的蠕变参数具有时效性,借助损伤力学的方法可以有效地实现岩体材料的劣化及蠕变参数的非定常特性;模型参数中蠕变寿命和极限强度由蠕变试验确定,其余参数由蠕变试验数据运用1st Opt软件反演得到;最后将蠕变模型应用于开挖岩体的蠕变分析中,发现岩体中的水增加了井壁的应力水平,加快了井壁的蠕变变形,这对工程实践有重要的指导意义。

岩石流变性尺寸效应的探讨

本文根据锡矿山南矿页岩的三组不同尺寸的试件所作的单轴压缩蠕变试验结果,研究了这种岩石的流变性尺寸效应,并以此为基础,提出了一种确定岩体流变性的近似方法。