分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征.应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强.应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱.随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应.随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低.所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显.     

软硬互层状岩石类材料双轴压缩蠕变特性试验研究

自然界中广泛分布的复合层状岩体，具有显著的结构不连续性、非均质性和各向异性特征。为揭示软硬互层状岩体在双轴压缩下的蠕变特征，采用相似模型试验，制作软硬互层状岩石类试样，开展了3种不同侧向应力水平条件下平行于层理方向的轴向分级加载双轴压缩蠕变试验，并利用数字图像相关技术(DIC)进行了试样表面变形观测。研究发现，软硬互层状岩石类材料的蠕变包括减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变3个阶段，且减速蠕变阶段与等速蠕变阶段占比较大，而加速蠕变阶段占比较小；随着侧向应力的增加，试样的蠕变破坏强度逐渐降低，而蠕变应变增加率随之增加；应力水平差异对试样蠕变特征有着显著的影响，当侧向应力相同时，随着轴向应力的增加，轴向应变也随之增加；当轴向应力相同时，轴向应变与侧向应变随着侧向应力的增加先减小后增大。试验过程中，利用DIC技术监测试样表面变形，发现当侧向应力水平较低时，试样的轴向应变主要取决于硬岩层，而当侧向应力水平超过软岩抗压强度后，软岩层内部裂纹的产生会导致试样宏观破坏提前发生。上述研究结果可为软硬互层状岩体工程建设及围岩长期稳定性分析提供理论参考。     

金属基复合材料的蠕变与松弛

本文利用微观力学方法研究了金属基复合材料的常温蠕变和应力松弛,连续纤维在弹性粘塑性基体内单向铺设。本文的结果与实验结果符合较好。研究表明,纤维在轴向对基体的蠕变起到明显阻止作用,而在横向和剪切变形下的作用较小。在低应力水平下,复合材料的蠕变变形很小,在高应力水平时,蠕变变形明显甚至引起蠕变破坏。     

岩石蠕变特性试验研究

针对大安山煤矿+550水平西二石门围岩蠕变变形严重的问题,采用室内蠕变试验与理论分析相结合的方法研究岩石蠕变特性。选取泥质粉砂岩作为软岩试样,通过自制三轴蠕变仪对所取岩样进行恒围压分级增轴压的三轴压缩蠕变试验,结果表明:随应力水平的提高,起始蠕变速率增大,进入稳态蠕变阶段用时延长,稳态蠕变速率从0h-1增大到3.12e-4·h-1,瞬时应变以线性关系增加,围压9MPa条件下的起始蠕变应力阈值为6MPa,当应力水平超过岩石长期强度时出现加速蠕变。基于蠕变试验规律,考虑起始蠕变应力阈值,将一种可用阶跃函数表示的开关元件与广义K体并联,并引入损伤元件对CVISC蠕变模型进行改进。采用1st-Opt中的Levenberg-Marquardt+通用全局优化法计算蠕变参数并进行反演。反演结果表明理论曲线与试验曲线的吻合效果较好,证明了所建模型的合理性。上述研究成果可为岩石工程的长期稳定性分析提供试验和理论依据。     

高应力高水压下砂岩三轴蠕变特性试验研究

对砂岩进行高围压高水压条件下的三轴压缩蠕变试验。试验表明,在整个加载过程中,孔隙水压力主要起到增强轴向变形和横向变形的作用;但在加载的初始阶段,孔隙水压力在一定程度上抑制了轴向变形。当应力水平高于屈服应力时,横向蠕变速率明显大于轴向蠕变速率,且横向蠕变率先进入加速蠕变阶段。本文提出一个新的非线性黏性元件,并引入一个能判断是否进入加速蠕变阶段的计时器元件,组建一个非线性黏塑性加速蠕变启动模型,将该黏塑性模型与Burgers模型串联,构建一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型在常规三轴应力状态下的本构方程。基于试验结果,通过对非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对本文提出蠕变模型的参数识别,识别效果比较理想。对比试验曲线与拟合曲线,二者相当吻合,验证了新提出的非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性。     

分级加载条件下紫色泥岩三轴蠕变特性研究

流变性质是岩石材料的重要力学特性,以紫色泥岩为例,在分级加载条件下研究了其三轴蠕变特性。采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变实验机,并配备三轴压力室,对紫色泥岩实施分级加载三轴蠕变实验。实验结果表明,紫色泥岩在相同轴压条件下,围压越大,瞬时弹性变形和蠕变变形越小;在相同围压条件下,轴压越大,二者变形越大。紫色泥岩的蠕变速率具有相同的变化趋势,且在相同轴压条件下,围压越大,稳定蠕变阶段的蠕变速率越不明显。另外,应力与瞬时应变线性拟合结果表明,瞬时轴向应变与轴向荷载近似成比例增长。通过分析紫色泥岩蠕变曲线变化趋势,认为采用H/M模型进行模拟较为合理。并且采用MATLAB软件非线性回归分析进行模型参数拟合,最后得到实验曲线与理论曲线的最大误差在2e-5左右。证明采用的H/M模型能较好地描述紫色泥岩的蠕变特性。     

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

金川露天矿F1、F2断层深力学特性的实验研究

本文以室内力学实验结果为依据, 探讨了断层泥常规力学特性及与时间有关的蠕变特性, 并从瞬时变形、蠕变变形、强度、破坏等方面探讨了水岩相互作用结果。     

冻土的有限变形本构关系的实验研究

根据有限变形理论,给出了冻土三轴蠕变实验数据处理时所需Green应变和Kirchhoff应力的计算公式,并根据冻土三轴蠕变实验结果给出冻土的有限变形本构关系及其蠕变参数。通过对冻土的实验数据对比分析可知:在相同试验条件下,应变较小时,小应变ε1 和Green应变Ez的数值几乎相等,随着应变的增加,两种表征方式的计算结果差别越来越大,可见对于冻土如果不考虑试件变形前后长度的变化,计算得出的应变偏离实际变形情况较大,因此冻土材料的本构关系采用有限变形表征更确切。根据冻土的有限变形本构关系计算得到的冻结壁内侧最大径向位移更接近实测结果,因此冻结壁设计计算依据冻土的有限变形本构关系更为合理。对今后冻结工程的设计具有参考价值。     

顺层蠕动边坡变形破坏机理及稳定性动态分析

本文以阜新海州露天矿边坡为例, 分析了边坡变形规律和破坏机制。在弱层流变试验的基础上, 建立了弱层流变力学模型, 通过确定加速蠕变阶段来临的极限应变量和应变速率, 建立了弱层长期强度的时间效应方程, 对于不同边坡工况进行了动态稳定性评价, 为采取抗滑措施控制蠕动边坡的变形破坏发展提供了科学依据。最后提出了一个边坡加速蠕变阶段来临的预测预报方法, 分析结果和实测资料较为一致。     

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。     

Deformation and Permeability Evolution of Petroleum Cement Paste Subjected to Chemical Degradation Under Temperature

The variation of permeability of typical petroleum cement paste is investigated as functions of mechanical loading and chemical degradation under the temperature of 90°C. In sound material, the permeability classically increases with deviatoric stress due to microcracks and volumetric dilatancy but decreases with confining pressure. Chemical leaching leads to significant increase of porosity of cement paste. However, the permeability of degraded material is lower than that of sound material during triaxial compression tests; this is due to compaction of pores under confining pressure. Further, the permeability variation in degraded cement is much more sensitive to confining pressure than that of sound material. During triaxial creep test, the permeability of degraded material decreases with time while that of sound material increases; this shows that the chemically leached material has a higher potential of volumetric compaction which is a key mechanism of plastic deformation. Coupled chemical degradation and triaxial compression tests are also performed. Under low confining pressure (3 MPa), the permeability increases with propagation of leaching front, and there is formation of preferential flow paths in the axial direction. However, with high confining pressure (10 MPa), there is no increase of permeability during chemical leaching and creation of successive degraded layers in the flow direction.     

基于Lemaitre原理改进砂岩蠕变损伤模型研究

以煤矿巷道围岩（砂岩）为研究对象,采用MTS815.02岩石力学试验系统,对流固耦合蠕变过程中孔隙水压力作用机制展开研究,以伯格斯模型为基础,基于Lemaitre原理建立改进的伯格斯非线性蠕变损伤模型,可以得到如下主要结论：当围压越大,岩石蠕变最后一级荷载作用持续时间越长,相对经历衰减蠕变和稳定蠕变时间越长;且由最终一级破坏蠕变变形值可知,孔隙水压较小时,蠕变变形量相对较大,此时围压增大提升了岩石延性特性,但是孔隙水压增大却削弱了围压作用,由于孔隙水压使得岩石力学性能劣化,因而减少了岩石在破坏时蠕变变形量;随后基于Lemaitre原理建立的伯格斯非线性损伤蠕变模型,可以较好地描述岩石的衰减蠕变、稳定蠕变与加速蠕变阶段;且试验曲线与拟合曲线吻合度高,验证了本文所建立损伤流变模型的合理性．     

Experimental investigation on strength and failure behavior of pre-cracked marble under conventional triaxial compression

Fractures in natural rocks have an important effect on the strength and failure behavior of rock mass, which are often evaluated in rock engineering practice. The theoretical evaluation of mechanical behavior of fractured rock mass has no satisfactory answer due to the role of confining pressure and crack geometry. Therefore, in this paper, conventional triaxial compression experiments were carried out to study the strength and failure behavior of marble samples with two pre-existing closed cracks in non-overlapping geometry. Based on the experimental results of a number of triaxial compression tests, the effect of crack coalescence on the axial supporting capacity and deformation property were investigated with different confining pressures. The results show that intact samples and flawed samples (marble with pre-existing cracks) have different deformation properties after peak stress, which change from brittleness to plasticity and ductility with the increase of confining pressure. The peak strength and failure mode are found depending not only on the geometry of flaw, but also on the confining pressure. The strength of flawed samples shows distinct non-linear behavior, which is in a better agreement with non-linear Hoek–Brown criterion than linear Mohr–Coulomb criterion. For a kind of rock that has been evaluated as a Hoek–Brown material, a new evaluation criterion is put forward by adopting optimal approximation polynomial theory, which can be used to confirm more precisely the strength parameters (cohesion and internal friction angle) of flawed samples. For intact samples, the marble leads to typical shear failure mode with a single fracture surface under different confining pressures, while for flawed samples, under uniaxial compression and a lower confining pressure (σ₃ = 10 MPa), tests for coarse and medium marble (the coarse and medium refer to the grain size) exhibit three basic failure modes, i.e., tensile mode, shear mode, and mixed mode (tensile and shear). Shear mode is associated with lower strength behavior. However, under higher confining pressures (σ₃ = 30 MPa), for coarse marble, the axial supporting capacity is not related to the geometry of flaw. The friction among crystal grains determines the strength behavior of coarse marble. For medium marble, the failure mode and deformation behavior are dependent on the crack coalescence in the sample. The present research provides increased understanding of the fundamental nature of rock failure under conventional triaxial compression.     

轴、侧向同卸荷下砂岩力学特性影响的试验研究

本文以实际岩体工程为背景,利用WDT-1500 仪器开展了轴向、侧向同时卸荷条件下砂岩的三轴试验. 结果表明:轴、侧向同卸荷这种卸荷路径下,砂岩试样破坏时并没有出现应力峰值,为了定义试样的破坏强度,将最大与最小主应力差随最小主应力的变化关系曲线上应力跌落的拐点处的应力值定义为破坏强度. 砂岩变形初始段发生应力跌落和轴向应变回弹,破坏前无明显的弹性和屈服阶段;试验的过程中,砂岩的侧向变形明显大于轴向变形,其体积应变一直处于膨胀状态;相对于砂岩的常规三轴试验结果,试样破坏时的强度在轴向、侧向同时卸荷条件下有所降低. 初始轴压和初始围压对试样的力学特征有十分显著的影响,但围压的卸荷速率却并不显著. 砂岩的破坏特征主要是以张-拉为主的混合张剪的破坏.