高应力泥质粉砂岩非线性蠕变损伤模型研究

为了研究高应力作用下泥质粉砂岩蠕变损伤特性,针对深埋硐室围岩和高陡边坡长期受高应力作用产生的蠕变影响,采用三轴流变试验仪对泥质粉砂岩进行分级增量加载研究其蠕变损伤特性。通过蠕变试验结果分析高应力泥质粉砂岩在硬化和软化2个阶段的不同损伤演化规律,硬化阶段考虑弹性模量、应力水平和应力作用时间综合影响的蠕变损伤效应;软化阶段基于损伤力学原理分析泥质粉砂岩在高应力作用下的蠕变损伤演化特性。通过建立考虑不同因素影响下的高应力泥质粉砂岩损伤演化方程,最终构建符合其蠕变特性的非线性蠕变损伤本构模型,并对改进后的蠕变模型参数进行识别反演。研究结果表明：高应力泥质粉砂岩的蠕变呈现明显的非线性特征,且蠕变硬化和软化特征明显,硬化阶段蠕变损伤变量随着应力水平的增大而增大,且随着时间增加而趋于稳定值;软化阶段蠕变损伤因子随应力水平和时间的增加呈明显的增长趋势,由此可见,高应力泥质粉砂岩蠕变在不同阶段其损伤受应力水平和应力作用时间的影响呈现明显的正相关趋势,说明该模型能够较好地反映泥质粉砂岩在高应力作用下应力水平与时间效应对蠕变损伤特性的影响,试验曲线与理论模型较为符合,研究成果可对高应力泥质粉砂岩深埋硐室及巷道围岩支护提供理论指导意义。     

炭质泥岩渐进破坏过程的变形特性及损伤演化研究

为研究软岩渐进破坏过程的变形特性和损伤演化规律,通过对炭质泥岩开展不同围压的三轴压缩试验,分析了围压对炭质泥岩宏观力学特性的影响;并将损伤岩石细观模型概化为岩石颗粒、裂隙损伤和孔隙3个部分;根据岩石细观结构损伤机制,结合应力-应变曲线特征,分段建立了炭质泥岩损伤演化方程:压密阶段,以孔隙率为损伤变量,建立了考虑孔隙压缩...     

冻融循环作用下炭质页岩蠕变模型研究

冻融循环作用下炭质页岩蠕变是高速公路高陡边坡稳定性研究的热点问题之一。为揭示冻融循环作用下炭质页岩的蠕变特性,将炭质页岩试样分别进行0次、5次、15次、25次冻融循环,在围压为4 MPa条件下,采用分级增量加载方式对试样进行三轴压缩蠕变试验,试验发现冻融作用下炭质页岩蠕变具有明显的非线性特征,轴向应变随冻融循环次数、应力水平和时间增加而增大;根据蠕变曲线特征,将蠕变曲线分为2个阶段,即稳定蠕变阶段和不稳定蠕变阶段;利用损伤定义及Lemaitre应变等效方程,建立稳定蠕变阶段的冻融损伤演化方程;基于损伤力学和概率统计理论,采用Von-misses屈服准则,建立不稳定蠕变阶段的冻融和蠕变耦合损伤方程;通过引入冻融和蠕变损伤变量对Burgers模型参数进行修正,建立冻融作用下的蠕变损伤模型。研究表明：岩石损伤随冻融循环次数增加而增大,但损伤增加速率减小,最终趋于稳定;冻融和蠕变耦合作用下,冻融作用使得岩石损伤累积,会加快岩石的蠕变破坏;分段建立的损伤方程能较好地揭示岩石损伤随冻融循环次数、应力水平和时间增加的变化规律;改进的蠕变模型与试验曲线拟合度较好,且参数物理意义明确。研究成果能为炭质页岩高陡边坡稳定性分析提供理论参考。     

改进的西元蠕变模型

为了解决岩土与地下工程施工过程中围岩持续性的蠕变大变形灾害,建立能较好描述岩石蠕变全过程规律的本构方程尤为重要。基于RLW-2000型微机伺服岩石三轴流变仪得到的泥岩流变实验数据,对其蠕变曲线特征进行分析,结合岩石的力学特性,定义了一种能反映岩石加速蠕变破坏特征的非线性函数。将定义的非线性函数引入到传统西元模型中,构造出一个新的改进西元模型的流变本构方程。该模型成功克服了传统西元模型不能描述岩石加速蠕变过程的缺陷,能很好地反映岩石蠕变曲线的三个阶段。结合泥岩蠕变实验数据对该模型的蠕变参数进行了辨识,并将模型的计算结果与蠕变实验数据对比,证明了所建立新的改进西元模型的正确性与合理性。且模型参数较少,容易理解,便于在实际工程中运用和推广。     

基于时间硬化蠕变模型的淤泥质土室内蠕变试验回归分析研究

将普通三轴剪切试验仪器改装成由应变控制的三轴剪切蠕变仪,对淤泥质土样进行室内三轴固结不排水蠕变试验,获得土样在不同围压和偏应力下的分别加载蠕变曲线、应力-应变等时曲线等,体现了淤泥质土显著的非线性蠕变特性。采用时间硬化蠕变模型对试验数据回归分析,回归曲线能较好拟合室内蠕变试验成果,结果表明该模型能够较好描述依托工程淤泥质土的蠕变特性,为数值模拟提供了蠕变参数。     

支护阻力抑制围岩饱水软化作用研究

常规三轴压缩试验一直是认识岩石在复杂环境(如地下水丰富)下力学性质的主要手段,因此,利用XTR01-01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪研究在不同围压条件下饱水时间对软岩强度的影响规律,对于隧道工程的设计、施工和安全运营具有重要意义。就梅(州)～大(埔)高速昆仑隧道出口右线软岩大变形段中所揭示的风化变质砂岩设计了不同饱水状态下的三轴试验方案,并进行了三轴力学性质测试,描述了软岩在饱水时间为1个月的全应力—应变曲线特征,重点探讨了围压和饱水状态对软岩强度的影响规律,详细分析了二者对软岩强度变化的作用机理及特点。最后,根据围岩动态演化规律,结合试验研究结论,提出高地应力软弱围岩的支护原则。     

分级加载条件下紫红色泥岩蠕变特性试验研究

蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,与岩石工程的长期稳定和安全密切相关。本文采用RLJW-2000微机控制岩石三轴流变仪,在分级加载条件下对杭兰高速公路巫山至奉节段中三叠统巴东组二段(T2b2)干燥状态下的紫红色粉砂质泥岩进行了三轴压缩蠕变试验。在蠕变试验的基础上,分析了泥岩轴向蠕变变形与径向蠕变变形特征。通过对试验数据的整理与分析,发现泥岩存在显著的蠕变特性,符合Burgers模型,并求取了不同应力水平下的蠕变参数。试验结果表明,紫红色泥岩蠕变试验曲线与理论曲线吻合较好,Burgers模型能较好的描述T2b2紫红色泥岩的蠕变特性,研究成果可为进一步研究该地层中滑坡的蠕变特性提供模型和参数。     

基于D-P准则千枚岩变形破坏统计损伤本构模型研究

在分析岩石变形机理基础上，选用Drucker-Prager准则和推广的Lemaitre应变等价性原理，在统计损伤变形理论基础上考虑岩石初始损伤阈值，建立能表达绢云母千枚岩变形破坏全过程的统计损伤本构模型，对岩石三轴围压条件下应力-应变曲线进行拟合。引入损伤修正参数q对完全破坏阶段的变形过程进行修正，利用公式法代替传统比较法所得到的参数；修正后模型能更好地反映绢云母千枚岩处于完全破坏阶段变形特征，常规物理力学试验即可得到相应模型参数。探讨不同围压下分布参数对本构模型影响，验证该模型的准确性和可行性。     

考虑D-P边界退化的冻风积土蠕变损伤规律研究

为研究季冻区冻风积土的蠕变变形规律及损伤演化规律,采用冻土GDS三轴测试分析系统开展了不同负温条件下三轴蠕变试验,分析了不同负温对冻风积土蠕变损伤特性的影响。根据典型蠕变曲线的三阶段特征提出了蠕变损伤时间阈值及屈服时间阈值确定方法。根据Kachanov对混凝土材料蠕变损伤的假设,对冻风积土的弹性模量及抗剪强度参数进行弱化,分析了不同负温条件下,不同蠕变损伤阶段冻风积土蠕变损伤规律。将西原模型中塑性元件改进成了具有损伤特征的非线性黏塑性体,并假设其服从于Drucker-Prager屈服准则,建立了冻风积土分阶段的蠕变损伤模型,将模型计算值与实测值进行比较,验证模型的合理性。研究结果表明:温度对冻风积土蠕变特征影响显著,温度低于-15℃时仅出现蠕变第I、II阶段,温度高于-10℃时会出现第III阶段,分阶段蠕变损伤模型可以较好地描述冻风积土在不同蠕变阶段损伤特征;屈服边界退化是导致冻风积土发生蠕变损伤的主要原因,发生蠕变损伤后会导致屈服边界不断缩小以及有效应力不断增加,塑性区的范围不断扩大,发生蠕变损伤后有效应力状态点会落在损伤后的屈服边界附近。     

不同围压梯度下砂岩力学及声发射特性研究

分别对砂岩试样施加不同围压，在不同围压梯度下，施加轴向荷载，探究应力-应变的变化及声发射产生数量规律；基于离散元理论，采用二维颗粒流PFC2D软件，建立不同围压下砂岩岩石模型，结合试验数据，研究不同围压梯度下砂岩力学特性及声发射事件的产生。结果表明：随着围压的不断增大，砂岩的破坏应力逐渐增大，达到破坏后产生的微裂缝也逐渐增多。     

泥砂岩互层隧道围岩蠕变变形的有限元分析

随着我国高速公路隧道建设事业的迅速发展,越来越来的隧道开挖需要面临泥砂岩互层围岩蠕变变形过大的安全问题。基于贵州省望安高速公路河边隧道的工程概况,采用ABAQUS有限元分析软件,建立了泥砂岩互层隧道围岩蠕变计算模型,得到了围岩蠕变30 d后的水平位移和竖向位移分布云图,给出了监测点水平位移和竖向位移随时间的变化曲线,分析了泥砂岩互层隧道围岩蠕变过程中水平位移和竖向位移的分布规律。计算结果表明,泥砂岩互层隧道围岩蠕变过程中拱顶沉降随时间增加的程度最显著,且预留变形量由拱顶沉降控制。     

围岩蠕变对运营隧道衬砌安全性的影响

为探究在软弱围岩隧道运营期间围岩蠕变效应对二次衬砌安全性的影响,以九景高速公路隧道为依托,以Ⅳ级围岩区段二次衬砌支护结构为研究对象,采用室内试验和数值模拟手段,首先对该围岩区段泥质粉砂岩在不同应力水平下的单轴蠕变特性进行了室内试验分析,并采用Cvisc模型对蠕变试验数据进行了非线性拟合,获得了Cvisc模型的蠕变参数。然后,利用FLAC3D软件建立了两车道公路隧道三维数值模型,研究了单考虑围岩蠕变作用和同时考虑隧道埋深对运营隧道衬砌结构安全性的影响。结果表明:非线性拟合相关性系数在0.92～0.96之间,可认为Cvisc模型能够很好地描述泥质粉砂岩的衰减蠕变和稳定蠕变关系;单考虑围岩蠕变作用,在同一支护时间,二次衬砌安全系数较高的位置支护结构承受的围岩压力相对较小,围岩的蠕变变形量较大,但过小的支护承载又会导致围岩蠕变变形而增加围岩压力,进而不利于运营隧道衬砌结构的长期安全;同时考虑隧道埋深的影响,二次衬砌支护结构的承载随着隧道埋深的增加而减小,即围岩自身能够承担较大部分的因蠕变变形而增加的围岩压力,从而对运营隧道衬砌结构的长期安全有利。     

单轴压缩下不同长度单裂隙岩体能量损伤演化机制

为探寻裂隙岩体变形破坏过程中内在的能量演化机制,基于岩石能量耗散理论和室内试验数据,研究了单轴压缩条件下单裂隙岩体变形破坏过程中各能量指标(总能量、弹性应变能及耗散能)演化规律,分析了裂隙长度变化对岩样力学特性、破坏模式、各能量指标及峰前能量突变幅度的影响规律.研究结果表明:裂隙岩体的峰值强度、峰值应变及弹性模量均随裂...     

不同卸围压速率下混凝土材料能量特征研究

为了探究混凝土材料在不同卸围压速率下的强度特征和能量变化规律,制备圆柱状混凝土试件,开展常规三轴卸围压试验。研究结果表明:混凝土试件的峰值强度随着卸围压速率的增大呈线性关系减小,其峰值轴向应变随着卸围压速率的增大呈单指数关系减小;卸围压速率越低,试件卸围压阶段所持续的时间越长,积累的弹性能随之增大;同时发现试件的卸围压速率越小,卸围压开始时刻到应力峰值时刻的耗散能增长速率越快,且试件峰后破坏阶段的耗散能曲线斜率随着卸围压速率的增大逐渐增大;随着卸围压速率的增大,混凝土试件应力峰值时刻的轴向能量、环向能量、弹性能和耗散能均减小,低卸围压速率下试件变形充分,而卸围压速率较高的时候,试件的变形破坏具有突发性。     

岩石峰后应力应变特性的加卸载试验研究

为了研究隧道开挖过程中围岩在加卸载条件下的应力应变特性,采用TAW-2000微机控制岩石伺服压力试验机对辉绿岩进行了三轴加载和卸围压试验,通过分析岩石强度、体积变形在试验全过程中的变化规律及其与围压的关系,研究岩石的力学特性、变形特性及其破坏机理.结果表明,在卸载试验条件下,岩石在屈服破坏后,同样具有应变软化特性和破裂...     

一种新的岩石长期强度确定方法

从岩石蠕变过程中的变形特点出发,引入流变损伤概念,对岩石蠕变过程中变形、损伤及长期强度之间的关系进行了分析;在经典岩石流变H-K模型的基础上,得到了岩石长期强度与损伤变形阈值及屈服应力的理论计算公式。定性分析及实例验证结果证明,该理论计算公式可反映岩石长期强度随岩性变化的规律,且参数少、求解过程简便,具有较好的工程应用参考价值。     

季冻区路基土的能量损伤演化模型研究

依托辽宁阜新某公路路基土样,进行冻融循环试验及三轴压缩试验,分析不同含水率、围压、冻融次数下的弹性能变化规律;基于能量衰减定律,建立能量损伤演化模型,探索季冻区路基土的损伤规律。结果表明：含水率较高时试件应变与弹性能正相关,弹性能随冻融次数和含水率的增加而平顺,含水率较小时弹性能迅速升高出现峰值,然后逐渐减小最后趋于平稳;在围压加持下,随着应变的增加弹性能整体呈现先增大至峰值点后减小并趋于稳定的变化趋势,曲线相同应变位置的弹性能值随围压的增大而增大;能量损伤演化模型曲线与试验曲线吻合度较高,为季冻区冻土路基灾害防治提供了理论依据。     

软弱土流变特性试验研究

利用室内三轴流变试验,研究北京地区粉质粘土在不同应力水平下的蠕变特性,试验结果表明,该类软弱土具有较明显的变形时效性。通过分析蠕变曲线的规律,选择广义开尔文五单元理论模型和时间硬化经验蠕变公式来描述该类软弱土的流变特性,并达到了良好精度,建立了适合北京地区典型软弱土的流变理论模型和经验模型。     

隧道损伤围岩的蠕变特性研究

本文通过隧道损伤围岩蠕变特性的分析,在西原模型中引入了围岩变形影响下的损伤量,从而修正了隧道围岩的蠕变方程。通过长冲隧道的应用实例研究,检验其合理性。     

基于热力学的沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型

为了表征沥青混合料的力学行为,以不可逆热力学理论为基础,推导出沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型;将建立的本构模型用于分析沥青混合料三轴蠕变试验和等应变速率压缩试验.结果表明:该模型能够合理描述沥青混合料蠕变试验的三阶段,准确表征其三维变形特征,并能从机理上分析沥青混合料的变形行为;可以较准确地预估等应变速率压缩试验中的应力-应变发展规律及应力峰值和体积变形规律;所提出的粘弹-粘塑性损伤本构模型能够表征沥青混合料在多种压缩加载模式下的力学行为特征.