软岩蠕变损伤特性的试验与理论研究
孔隙水压力作用下岩石蠕变及损伤特性实验
孔隙水压力作用下岩石蠕变及损伤特性实验杨红伟;许江;彭守建;聂闻【摘要】Creep and damage of fine sandstone rock under pore water pressure were investigated by a series of triaxial compression tests using RLW-2000M coal and rock computer controlled rheological testing machine. Volumetric strain (strain rate) and equivalent pore volume (volume rate) evolution curves of rock creep under different axial stress condi?tions were the research highlight points. In addition, transformation laws of variables related damage were analyzed based on porosity evolution. The results show that the water volume induced by pore water pressure reveals porosity evolution and it has agreement with three stage in typical creep process; damage variable evolutions are analyzed by contrast of macroscopic scalar (creep time) and meso-scalar (porosity) with damage variables in Rabotnov model which calibrates the traditional quantitative analysis of creep damage.%采用RLW-2000M煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,进行孔隙水压力作用下岩石三轴压缩蠕变试验,并研究其蠕变及损伤特性,重点分析不同轴向应力时蠕变条件下岩石的体应变(应变速率)和等效孔隙体积(体积速率)演化曲线,同时对其孔隙率的损伤变量演化规律进行分析.试验结果表明:利用孔压水体积揭示了蠕变过程孔隙率演化规律且符合蠕变三阶段规律;利用Rabotnov模型蠕变损伤演化方程的损伤变量,对比宏观标量(蠕变时间)和细观标量(孔隙率)的损伤变量演化规律,克服传统的蠕变损伤定量分析的缺陷,弥补传统蠕变试验研究的不足.【期刊名称】《宜宾学院学报》【年(卷),期】2015(015)012【总页数】5页(P1-5)【关键词】岩石力学;砂岩;蠕变;损伤变量;孔隙水压力【作者】杨红伟;许江;彭守建;聂闻【作者单位】宜宾学院矿业与安全工程学院,四川宜宾644007;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TU45岩石流变破坏的过程表现为裂缝的形成、发展及最终导致岩石或工程岩体失去原有承载力导致失稳破坏的全过程[1].事实上，孔隙特性是决定岩石蠕变特性的最基本要素之一，而许多学者研究成果大多是以应力和应变率来描述岩石的蠕变特性.李化敏等[2]研究了大理岩的蠕变试验过程的应力、应变曲线特征；张忠亭等[3]研究了分级加载下岩石的蠕变特性及成果分析；朱合华等[4]在干燥和饱水两种状态下进行岩石蠕变试验，对比并探讨了岩石蠕变受含水状态影响的规律.水作为自然界普遍存在于岩石结构中的流体，参与并影响岩石的变形特征.研究表明，水在岩石流变过程中主要有物理化学和力学作用.前者导致岩石性状逐渐恶化，后者主要表现为准静态压力的有效应力作用和动压力的冲刷、扰动作用.目前，众多学者非常重视水对岩石流变的影响，其中研究在含水与干燥状态下岩石流变性质对比的成果比较丰富.大多数文献的试验重点关注某一级应力水平下轴向应变的蠕变短时曲线，未全面探讨蠕变过程中孔隙率的变化规律[5].而多数的蠕变损伤理论大都以Kachanov-Rabotnov方程为基础不断发展起来.岩石流变损伤断裂研究主要探讨岩石蠕变损伤、蠕变断裂以及它们的耦合过程的特征[6-14].综上分析，岩石蠕变研究是基于蠕变试验，但对于孔隙水压力与蠕变的耦合试验，因现有试验设备及试验方法的不足，相应的研究成果极少，阻碍了水压力作用下岩石流变理论的进一步发展.本文基于孔隙水压力作用下岩石的蠕变耦合试验，分析耦合过程中蠕变损伤、蠕变断裂中孔隙的演化规律，探讨在应力和水压力耦合作用下发生变形时，通过孔压水体积可以反映相关的孔隙的瞬时变化，即蠕变引起孔隙的变化，孔压水体积等效表征孔隙结构在蠕变过程的演化规律.研究表明可将孔隙率作为蠕变特性的一个物理量，为蠕变破坏提供一个重要的评价指标.采用文献[15]、[16]所述的RLW-2000M煤岩流变仪，由计算机控制自动完成煤或岩石的单轴抗压强度、三轴抗压强度、循环载荷以及流变等试验.按照杨红伟等人[15-16]的实验方法，进行孔隙水压力作用下细粒砂岩三轴压缩蠕变实验.选取围压为5MPa时，三轴峰值破坏强度σmax的60%、70%和80%作为实验的恒定轴向应力σ1，在孔隙水压力4MPa条件下进行不同应力作用下岩石蠕变实验.按设定值施加孔隙水压力后保持恒定，其加载速率1.0MPa/min.不同轴向应力作用下的细粒砂岩的蠕变实验（围压5MPa、孔隙水压力4MPa恒定），分别对比轴向应变、横向应变和体应变及其速率变化曲线[15].当孔隙水压力恒定时，孔压水体积变化等效成孔隙体积，孔压水体积速率即为孔隙体积速率.蠕变演化过程可以直接分析孔隙率的变化，同时还可以分析蠕变损伤演化规律. 为便于对比不同蠕变实验曲线，文中采用了时间归一化处理方法，即：式中，T′为蠕变时间比，ti为蠕变的瞬时时间，ta为蠕变完成的时间.在蠕变过程中，应变变化量与时间段的比率，称为应变率(或应变速率)，即：2.1 蠕变特性分析根据蠕变曲线（图1、2）可知，孔隙水压作用下不同轴向应力细粒砂岩的蠕变过程符合蠕变演化三阶段特征.随着轴向应力的增大，轴向应变、横向应变和等效孔隙体积将增大，蠕变破坏的时间将缩短.将体应变（应变率）与等效孔隙体积（体积速率）结合分析：利用孔隙水压力作用下的渗压水变化体积，等效成孔隙体积其规律符合蠕变演化三阶段特征.通过等效孔隙体积可以直接测量蠕变过程中孔隙变化量，为蠕变曲线演化规律增加了可计算的方法.蠕变破坏曲线中的体应变率曲线、等效孔隙体积变化率都呈“U”型演化规律，其特点是初始蠕变阶段应变率急速减小，其原因原始孔隙较多，渗压水快速充填孔隙，被压实过程中，岩石体积减小，可得到等效孔隙体积较大，体积速率快速减小；稳定蠕变阶段体应变率保持稳定演化，其原因孔隙等速压缩，体积等速增加变形，体应变恒定变化，体积速率呈稳定趋势；加速蠕变阶段（急速蠕变阶段）体应变率加速变化，体应变呈非线性增大直至破坏失稳，孔隙急速扩大破裂.随着轴向应力的增大，对比稳定阶段的体应变率、平均孔隙体积速率呈量级增大（表1）.2.2 蠕变损伤分析McClintock[17]、Rice和Tracey[18]从微孔洞的研究出发，运用细观力学和损伤力学，发展了细观损伤的塑性理论的研究.从微观角度分析岩石蠕变表现为其内部微观结构受外部应力影响不断调整、微观裂隙逐渐汇聚开裂的过程.在这过程中，随着微观裂隙成核与发展，岩石内部损伤程度逐渐增大，当损伤积累超过临界阈值时岩石表现为宏观上失稳破坏.岩石材料的微孔洞损伤过程有三个阶段：①微孔隙、裂隙的形核阶段，②微孔隙、裂隙的发展阶段，③微孔隙、裂隙的汇合破裂阶段. 在恒定的载荷下，岩石蠕变损伤表现为时间的单调递增函数[19].基于Rabotnov模型，以分析孔隙损伤过程对蠕变损伤的影响，借鉴该模型的损伤演变方程[20]和蠕变方程上两式中，A,B1,n,m,r和q都是材料参数，且r≠n,q≠m.若r=n则式（3）退化为Knachanov方程；若q=m则式（4）退化为稳定蠕变方程；若q=0则式（4）进一步退化为Norton方程.将式（3）积分，考虑初始条件，有对于恒应力σ=σ0情况，得到或再利用断裂条件（t=tf，φ=0），有式中，纯脆性断裂时间：把φ-t关系式（5）代入蠕变本构方程关系式（4）有同样在恒应力条件下σ=σ0下，积分上式，考虑初始条件，得到εv-t关系记得到计算损伤的蠕变曲线方程下面讨论粘性断裂应变与脆性断裂时间的关系.利用断裂条件得到粘性断裂应变再代入式（8），有通过上式可知蠕变损伤变量基于宏观损伤状态的标量即瞬时蠕变时间为变量，而其材料的细观损伤变量欠缺，笔者根据实验中描述细观损伤状态的孔隙率重新定义为细观损伤变量，并建立宏细观损伤变量之间的关系（式13）.孔隙率表达式：式中，np为孔隙水压力作用下的孔隙率，Vρ,p为孔隙水压力作用下的孔隙体积（cm3），V为岩石体积（cm3）.由式（10），可定义宏观损伤变量D1为由式（10）可定义细观损伤变量D2为式中，n′p为瞬时孔隙率，np0为蠕变破坏的累积孔隙率.根据实验数据联合计算公式，分析损伤变量D1和D2之间的宏观损伤中的时间标量与细观损伤中的孔隙率标量的可比性.由式（12）和（13）分别计算损伤变量D1和D2，通过调整式（12）中参数取值进行宏观与细观损伤变量的吻合分析.其中（12）中参数取值分别是0.5、1、2、3和5，而式（13）中参数=1.由图3中不同条件下的蠕变损伤曲线，对比可知宏观损伤变量D1中＜1时呈上凹曲线；=1时呈线性曲线；＞1时呈上凸曲线且与细观损伤变量D2曲线的演化规律相似. 通过分析体应变与损伤变量D曲线，当1β2=2时宏观损伤变量D1曲线与细观损伤变量D2曲线吻合较好（蠕变演化的Ⅱ、Ⅲ阶段，如图4）.通过进行不同轴向应力条件下孔隙水压力作用下的细粒砂岩三轴压缩蠕变实验，探讨了蠕变曲线及蠕变损伤规律，结论如下：①孔隙水压力作用下不同轴向应力条件的细粒砂岩蠕变的体应变（应变速率）和等效孔隙体积（体积速率）演化曲线深入揭示岩石蠕变的3个阶段，利用孔压水体积给出了蠕变过程孔隙率演化规律，也揭示了蠕变过程细观孔隙的非线性本质，并且量化了稳定蠕变阶段应力与平均体应变速率、孔隙体积变化率的对应关系.②利用Rabotnov模型蠕变损伤演化方程的损伤变量，对比宏观标量（蠕变时间）和细观标量（孔隙率）的损伤变量演化规律，利用损伤变量定义式对蠕变过程体应变-损伤变量的宏观损伤变量D1与细观损伤变量D2分别进行定义；通过宏观损伤变量D1参数取值1β2=2曲线，与细观损伤变量D2参数取值=1曲线吻合较好；通过研究孔隙率损伤变量演化规律，克服传统的蠕变损伤分析的不足.【相关文献】[1]孙钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J].岩石力学与工程学报,2007,26(6):1081-1106.[2]李化敏,李振华,苏承东.大理岩蠕变特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(22):3745-3749.[3]张忠亭,罗居剑.分级加载下岩石蠕变特性研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(2):218-222.[4]朱合华,叶斌.饱水状态下隧道围岩蠕变力学性质的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(12):1791-1796.[5]马占国,兰天,潘银光,等.饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙变化规律的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(7):1447-1454.[6]杨春和,陈峰,曾义金.盐岩蠕变损伤关系研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(11):1602-1604.[7]肖洪天,周维垣,杨若琼.三峡永久船闸高边坡流变损伤稳定性分析[J].土木工程学报,2000,33(6):94-98.[8]陈有亮,孙钧.岩石的蠕变断裂特性分析[J].同济大学学报(自然科学版),1996,24(5):504-508.[9]陈锋,杨春和,白世伟.盐岩储气库蠕变损伤分析[J].岩土力学, 2006,27(6):945-949.[10]陈有亮.岩石蠕变断裂特性的试验研究[J].力学学报,2003,35 (4):480-483.[11]陈卫忠,朱维申,李术才.节理岩体断裂损伤耦合的流变模型及其应用[J].水利学报,1999(12):33-37.[12]姜永东,鲜学福,熊德国,等.砂岩蠕变特性及蠕变力学模型研究[J].岩土工程学报,2005,27(12):1478-1481.[13]阎岩,王恩志,王思敬,等.岩石渗流-流变耦合的试验研究[J].岩土力学,2010,31(7):2095-2103.[14]张向东,李永靖,张树光,等.软岩蠕变理论及其工程应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(10):1635-1639.[15]杨红伟.循环载荷作用下岩石与孔隙水耦合作用机理研究[D].重庆：重庆大学,2011.[16]杨红伟,许江,聂闻,等.渗流水压力分级加载岩石蠕变模型[J].宜宾学院学报,2015(6):1-5.[17]MCCLINTOCKFM.Acriterionforductilefracturebythegrowthofholes[J].JApplMech,1968,35(2):363-371.doi:10.1115/ 1.3601204.[18]RICEJR,TRACEYDM.Onheductileenlargementofvoidsintri⁃axialstressfields[J].JMechPhys Solids,1969,17(3):201-217.doi: 10.1016/0022-5096(69)90033-7.[19]余寿文,冯西桥.损伤力学[M].北京：清华大学出版社,1997.[20]RABOTNOVYN.CreepproblemsinstructuralMembers[M].Am⁃sterdam:North-HollandPubCo,1969.。
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究蠕变是指材料在一定温度和应力条件下，随着时间的推移发生的持续变形。
在地质和工程领域，岩石是一种典型的蠕变材料。
岩石的蠕变行为对工程结构的长期稳定性和可靠性具有重要影响。
因此，对岩石材料的蠕变实验及本构模型研究具有重要的理论和实际意义。
岩石材料的蠕变实验主要分为应力松弛实验和恒定应力蠕变实验两种。
应力松弛实验是通过对材料施加一定的应力后，观察材料的应力随时间的变化，以及应变随时间的变化。
这种实验常常用来研究岩石材料的蠕变速率和蠕变变形的领导指数。
恒定应力蠕变实验则是在一定的应力水平下，观察材料的应变随时间的变化，并且通过实验数据拟合来得到本构模型。
岩石材料的蠕变行为可以通过多种本构模型来描述，其中最常用的是Norton、Burgers、Power-law以及Generalized Kelvin-Voigt模型。
这些模型可以通过实验数据进行参数拟合，从而得到对应的本构关系。
这些本构关系可以用来预测岩石材料在不同应力和温度下的蠕变行为。
此外，还可以通过拟合这些本构模型的参数，来研究岩石材料的蠕变机制。
研究表明，岩石材料的蠕变行为是由多种因素共同影响的，包括温度、应力水平、孔隙水压力、孔隙率等。
因此，在进行蠕变实验时，需要对这些因素进行控制和监测，以保证实验数据的可靠性。
同时，还需要考虑到实际工程环境中的应力和温度条件，从而得到更准确的本构关系。
总之，岩石材料的蠕变实验及本构模型研究对于预测岩石在地下工程中的蠕变行为具有重要的理论和实际意义。
通过研究岩石材料的蠕变行为及其本构关系，可以为地质和工程领域提供重要的科学依据，从而保证工程结构的长期稳定性和可靠性。
软弱围岩的蠕变损伤特性及最佳支护时间
则可以有效避免围岩的失稳破坏。运用西原模型引入蠕变损伤变量，采用粘弹塑性理论研究软弱围岩的蠕变变
形 规律 ， 出通过位 移反 分析 或蠕 变试 验方法确定模 型 中的蠕变参 数 ，进 而确定 软弱 围岩 二次支 护最佳 时 问的 提
方法 。工程 实践 证明该方法是 合理的 。
关键词 ： 弱围岩 ；蠕变损伤 ｝ 软 参数 ；支护时间 ；岩土工程
维普资讯
第２ 卷 ， １ ８ 第 期 ２００７年 １月
文章编号 ：１０ —６ ２（０ ７ １０ ５—６ ０ １４ ３ ２ ０ ）０—０ ０Ａ ＲＡＩ ＬＷ ＡＹ ＣＩ Ｓ ＥＮＣＥ
Ｖｏ． ８ Ｎｏ １ １２ ．
中图分类号 ：Ｕ４ ６ ３ ５．１ 文献标识码 ：Ａ
在软弱围岩或不 良岩层中开挖隧道或巷道后 ，
由于围岩具有流变特性 ，围岩在地应力的作用下往
往会 向开挖空间缓慢的移动收敛 ，具体表现为隧道 的侧墙逐步向隧道 内收敛 ，底板缓慢隆起 ，拱顶挤 压开裂等＿ 。主要原 因是 由于 围岩蠕 变流动 变 ｌ
岩体强度随时间不断损伤 ，岩土体的蠕变取决 于时间与变形两方面因素 ，因此 ，岩土体的蠕变损
伤表现为变形损伤与时间损伤效应 的耦合［ 。变形 ９ ］
本文以地下工程中普遍采用的圆形断面巷道和
对软弱 围岩广泛适用的西原模型 （ 弹一粘弹一粘塑
损伤是指岩土体因变形 的不断扩展而产生的损伤 ，
要应充分发挥 围岩 自 身的承载能力 ，单靠加大衬砌 厚度以支承围岩荷载是徒劳无功的［ 。但又不能使 ６ ］ 围岩产生蠕变破坏 ，因此 ，从定量 的角度考虑蠕变 时效对软弱围岩支护设计 的影响 ，确定合理支护时
间，具有重要的意义。
如果能确定一个合理的支护时间对 围岩进行二 次支护 ，使围岩的蠕变变形不至于达到加速蠕变阶 段 ，则可以避免 围岩的破坏或失稳 。
岩体断裂与蠕变损伤破坏机理研究
岩体断裂与蠕变损伤破坏机理研究一、本文概述《岩体断裂与蠕变损伤破坏机理研究》一文旨在深入探讨岩体在受到外部载荷作用下的断裂与蠕变损伤破坏机理。
岩体作为自然界中广泛存在的地质体，其稳定性和安全性对于工程建设、地质环境保护等方面具有重大意义。
因此，研究岩体的断裂与蠕变损伤破坏机理，对于预防地质灾害、优化工程设计、提高工程安全性等方面具有重要的理论和实践价值。
本文首先将对岩体断裂与蠕变损伤的基本概念进行界定，阐述其在地质学和岩石力学领域的重要性。
接着，将详细分析岩体断裂与蠕变损伤破坏的机理，包括断裂力学的基本原理、蠕变损伤的发展过程以及两者之间的相互作用关系。
在此基础上，文章还将探讨影响岩体断裂与蠕变损伤破坏的主要因素，如岩石的力学性质、地质构造、外部载荷等。
本文将综合运用理论分析、实验研究、数值模拟等多种方法，对岩体断裂与蠕变损伤破坏机理进行深入研究。
通过对比分析不同条件下岩体的断裂与蠕变损伤破坏过程，揭示其内在规律和影响因素。
文章将提出相应的预防和控制措施，为工程实践提供理论支持和指导建议。
《岩体断裂与蠕变损伤破坏机理研究》一文将全面系统地探讨岩体在受到外部载荷作用下的断裂与蠕变损伤破坏机理，旨在为提高工程安全性和优化工程设计提供理论支撑和实践指导。
二、岩体基本特性及损伤机制岩体是由多种矿物颗粒、结晶体、岩石碎块和填充物等组成的复杂地质体，具有非均质、非连续、非线性和不确定性的特点。
这些特性使得岩体的力学行为相当复杂，尤其是在受到外部荷载或环境因素作用时，岩体的内部结构和性质往往会发生显著的变化。
损伤是岩体在受力过程中内部微裂纹不断扩展、演化和贯通的结果。
这些微裂纹可能是由于岩体内部的原生缺陷、应力集中、化学腐蚀或温度变化等因素引起的。
随着应力的增加，微裂纹逐渐扩展并相互连接，形成宏观的裂缝，最终导致岩体的破坏。
岩体损伤机制主要包括拉伸损伤、剪切损伤和压缩损伤。
拉伸损伤主要发生在岩体的拉应力区域，导致岩体产生拉伸裂缝。
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究引言：岩石是地球上最基础的构造材料之一，其性质的研究对于地质科学以及岩土工程领域具有重要意义。
岩石在地壳中扮演着起支撑与保护作用，因此了解岩石的变形行为以及蠕变性质对于地质灾害的预测与评估具有重要的指导意义。
本文将就岩石材料的蠕变实验及本构模型研究进行详细阐述。
一、岩石材料的蠕变实验蠕变是指物质在长时间内受到持续应力下的变形现象。
岩石材料由于具有多种类型的孔隙和裂隙，因此其蠕变行为比一般材料更为复杂。
蠕变实验是研究岩石材料蠕变性质的主要手段之一，其目的是了解岩石在不同应力、不同温度和不同时间下的蠕变特性。
1.实验设备蠕变实验一般需要使用蠕变试验机，该仪器能够提供连续加载并测量样品的应力和应变，同时控制温度。
实验所需的试样通常需要根据具体需要制备。
此外，还需要一些测量设备，如蠕变计和应变测量仪等。
2.实验过程蠕变实验的过程包括准备试样、加载试样、施加应力、保持应力和测量应变等步骤。
首先，需要根据实验要求制备符合标准的试样。
然后，将试样放置在蠕变试验机上，施加适当的负载并开始加载。
在加载过程中，需要保持恒定的应力并测量试样的应变，常用的应变测量方法有外部应变计和内部传感器等。
最后，根据实验结果绘制蠕变曲线，分析蠕变行为。
本构模型是描述材料力学性质的数学模型，通过建立岩石材料的本构模型，可以预测岩石的变形行为并进行力学仿真研究。
目前常用的岩石本构模型有线性弹性模型、弹塑性模型和粘弹性模型等。
1.线性弹性模型线性弹性模型是最简单的本构模型，它假设岩石材料的应力应变关系是线性的，即满足胡克定律。
这种模型适用于小应变范围内的岩石变形，但无法描述岩石的时间依赖性和非线性特性。
2.弹塑性模型弹塑性模型考虑了岩石在加载时的弹性变形和塑性变形，常用的模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等。
这些模型能够更准确地描述岩石的变形行为，但在蠕变时间很长的情况下，塑性本构模型可能会失效。
岩土体的蠕变特性研究
岩土体的蠕变特性研究通常滑坡的发展过程是一个蠕变的过程，变形随时间而不断增加；软弱夹层控制的滑坡变形则主要是随着软弱夹层的蠕变过程，强度随时间不断降低，最终软弱夹层蠕滑导致上部岩层发生滑动从而形成滑坡，所以对软弱夹层蠕变特性的研究非常重要。
标签滑坡；边坡；蠕变特性1 概述在实际工程中，岩土的蠕变特性是最受关注的。
岩土体及软弱夹层的蠕变特性往往是引起边坡工程及滑坡工程破坏与失稳的主要原因。
边坡及滑坡的蠕变是指组成边坡及滑坡的岩体和土体在自重应力以及水平应力为主的作用下，变形随时间而持续增加的性质。
产生变形的原因是多方面的，地质作用、地下水流、温度变化、植被作用等都可以产生变形。
但就岩土体本身而言导致边坡及滑坡变形与时间有关的变形主要是岩土体蠕变引起的，因此研究岩土体材料的蠕变特性尤其是软弱夹层的蠕变特性极其重要。
2 土体的蠕变特性岩土体材料的蠕变包括岩石和土的蠕变，由于岩石材料和土体材料在结构特性、材料组成上有较大的差异，所以，岩石的蠕变特性和土体材料相比较，也有较大的区别。
人们在实验室内对各种岩体进行了单轴压缩、弯曲、剪切及常规三轴等试验，也对岩体软弱面进行了剪切试验，通过对试验结果进行分析得出不同的受力条件，各类岩土体的蠕变特性不尽相同。
从图1以看出，蠕变过程分为两种情况，第一种情况在应力较低时蠕变过程可能以减速进行，称为衰减蠕变过程见图1（a）；第二种情况在应力较高时，蠕变过程可能加速进行，称为非衰减蠕变过程见图1（b）。
在这两种情况下，变形等于受荷载后立即发生的瞬时变形ε0与随时间发展的变形ε（t）之和：衰减蠕变的过程如图1(a)所示，变形ε(t)以减速发展，速度最后趋向于零，相应地，变形ε(t)趋向于与荷载值相关的某个极限值。
非衰减蠕变过程如图1（b）所示，蠕变曲线包括四个阶段：瞬时变形阶段；初始蠕变阶段；稳定蠕变阶段；加速蠕变阶段。
非稳定蠕变阶段的蠕变变形量可以表示为：其中（1）瞬时蠕变阶段如图1（b）OA段，该段是施加恒定荷载后短时间内产生的瞬时变形，即式（2.2）中的，其值为，为施加的恒定应力，G为岩土体的弹性模量。
《岩石蠕变扰动效应试验系统及强度极限邻域范围研究》范文
《岩石蠕变扰动效应试验系统及强度极限邻域范围研究》篇一一、引言岩石蠕变是地质学和岩土工程领域中重要的研究课题之一。
随着地下工程、矿山开采、地质灾害防治等领域的不断发展，对岩石蠕变特性的研究显得尤为重要。
本文旨在设计一套岩石蠕变扰动效应试验系统，并对其强度极限邻域范围进行研究，以期为相关领域提供理论支持和实验依据。
二、岩石蠕变扰动效应试验系统设计（一）系统组成本试验系统主要由以下部分组成：岩石试样制备系统、加载系统、蠕变扰动系统、数据采集与处理系统。
其中，岩石试样制备系统用于制备符合要求的岩石试样；加载系统用于对试样施加荷载；蠕变扰动系统用于模拟实际地质环境中的蠕变扰动过程；数据采集与处理系统用于实时监测和记录试验数据，并对数据进行处理和分析。
（二）试验方法本试验采用室内模拟试验方法，通过控制加载速率、温度、湿度等参数，模拟实际地质环境中的岩石蠕变过程。
同时，通过蠕变扰动系统对试样施加扰动，观察试样的蠕变特性及强度极限邻域范围的变化。
三、强度极限邻域范围研究（一）理论分析岩石的强度极限是一个重要的力学参数，它直接关系到岩石的稳定性和承载能力。
本部分通过理论分析方法，探讨岩石蠕变过程中强度极限的变化规律及影响因素，为试验提供理论支持。
（二）试验结果与分析通过本试验系统，我们得到了大量关于岩石蠕变特性的数据。
通过对这些数据进行分析，我们发现：在蠕变过程中，随着时间的变化，岩石的强度极限逐渐降低；同时，当受到外部扰动时，岩石的强度极限将进一步降低。
这说明在工程实践中，需要考虑岩石的蠕变扰动效应及其对强度极限的影响。
四、结论本文设计了一套岩石蠕变扰动效应试验系统，并通过试验研究了岩石的强度极限邻域范围。
结果表明：在蠕变过程中，岩石的强度极限会随时间逐渐降低；同时，受到外部扰动时，其强度极限将进一步降低。
因此，在地下工程、矿山开采、地质灾害防治等领域中，需要充分考虑岩石的蠕变扰动效应及其对强度极限的影响。
此外，本文所设计的试验系统为相关领域提供了新的研究手段和实验依据，有望推动该领域的发展。
深部软岩损伤变形机理及应用研究的开题报告
深部软岩损伤变形机理及应用研究的开题报告一、选题背景及意义随着城市化进程的不断加快，建筑工程、交通工程等重要领域对地下空间利用的需求也在不断增加。
而由于地下岩石的特殊性质，常常会在地下开挖过程中引起严重的工程灾害，如坍塌、沉降等，导致巨大的经济损失和人员伤亡，因此对深部软岩的损伤变形机理进行研究具有重要的理论和实践意义。
二、研究目标和内容本研究旨在通过实验研究、数值模拟、理论分析等手段，探究深部软岩的损伤变形机理及其应用。
具体包括以下内容：（1）对深部软岩进行野外勘探和岩石力学试验，获得深部软岩的物理力学性质和力学特性参数。
（2）利用数值模拟软件（如FLAC3D等）对深部软岩开挖过程中的变形和破坏进行模拟，并对模拟结果进行分析和验证。
（3）通过理论分析、现场观测等多种手段，对深部软岩的损伤变形机理进行深入研究，并提出相应的预防措施和治理方法。
三、研究方法和技术路线本研究主要采用以下方法和技术路线：（1）物理力学试验：通过对深部软岩进行三轴压缩试验、剪切试验等多种离散元实验，获得深部软岩的力学参数和变形规律。
（2）数值模拟：利用数值模拟软件对深部软岩进行开挖过程的模拟，并对模拟结果进行分析和验证。
（3）理论分析：通过对深部软岩的基本理论和实际案例的分析，揭示深部软岩的损伤变形机理，并提出相应的预防措施和治理方法。
四、进度安排和可行性分析本研究计划于XX年X月开始，历时X年进行。
预计前期将进行岩石物理力学试验和数值模拟，获得深部软岩的基本参数和变形规律；中期将进行理论分析和现场观测，探究深部软岩的损伤变形机理；后期将对研究成果进行总结和分析，提出相应的预防措施和治理方法。
本研究具有可行性，主要基于以下三方面考虑：（1）研究对象——深部软岩是当前工程建设中的重点研究对象，其开挖过程中的变形和破坏常常引起工程灾害，因此对其进行研究具有重要的实践意义。
（2）研究方法——本研究采用了多种方法和技术手段，如物理力学试验、数值模拟和理论分析等，具有一定的科学性和可靠性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(3)
图1 Fig.1
损伤能量耗散 U d (b) 对蠕变损伤演化的影响
将式(1) 代入式(3) 可以得到岩石的蠕变损伤演 化方程：
c Dc 1 exp{ [ p v (t )] }
蠕变损伤演化规律
(4)
Evolution of creep damage
1
引
言
的宜巴高速公路东起宜昌市夷陵区龙泉镇，西接沪 蓉高速重庆巫山段，线路所经区域地势复杂，地形 起伏变化大，需要修建数条大埋深特长隧道，其中的 峡口隧道长 6 458 m、石门垭隧道长 7 525 m 和郑家 垭隧道长 3 850 m，这些隧道的最大埋深都在 1 000 m
近年来随着我国交通建设的不断发展，穿越复 杂地质单元、大埋深、软弱围岩的隧道不断涌现， 这些隧道不仅要穿越力学参数较低的软弱地层，而
2
非线性蠕变损伤模型
2.1 蠕变损伤演化方程 在 蠕 变过 程中 岩石 的扩 容 vc 可 以表 示 为：
c vc 1c 2 2 ( 以扩容为正) ，其中 1c 为轴向蠕变应 c 为径向蠕变应变。试验表明，蠕变过程中岩 变， 2
石体积不断增大，这主要是由岩石内部原有微裂纹 和新生微裂纹的延伸和扩展所致。假设外力功中用 于产生体积扩容的能量耗散为损伤能量耗散，经过 时间 t 的蠕变产生的损伤能量耗散 U d 可以表示为
第 31 卷
第 3 期
2012 年 3 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.31 No.3 March， 2012
软岩蠕变损伤特性的试验与理论研究
田洪铭，陈卫忠，田 田，王 辉，赵武胜
(中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)
[12] [2]
向蠕变和轴向瞬时应变的比值大，径向比值约为轴 向比值的 6 倍，说明蠕变过程中，岩石内部的裂纹 随着时间的发展逐步增多，蠕变过程中岩石内部的 裂纹主要以扩张为主，反映了岩石蠕变过程中的张 裂破坏过程；陈文玲[13]对黑河水库坝肩边坡云母石 英片岩的三轴蠕变试验研究表明，蠕变过程中径向 蠕变比轴向蠕变更加敏感，以径向蠕变来判断岩石 是否发生蠕变破坏更为合理；崔希海和付志亮[14]对 红砂岩进行的单轴蠕变试验研究表明，岩石的径向 蠕变速度的增加快于轴向蠕变速度的增加，且横向 蠕变比纵向蠕变表现出更强的规律性，应采用径向 稳定蠕变的应力阈值来定义岩石的长期强度； N. Cristescu 等[15-16]进行了大量的岩石蠕变试验，研究 表明，蠕变过程中岩石的体积扩容明显，而岩石的 体积扩容与其损伤密切相关，可以认为岩石蠕变过 程中体积扩容机制与其损伤演化机制是相同的。 为了更好地反映高地应力软岩隧道围岩变形的 时效性和非线性特征，本文在宜巴高速泥质红砂岩 三轴蠕变试验的基础上，基于外力功中产生体积扩 容的能量耗散即为损伤能量耗散的假设，建立了新 的蠕变损伤演化方程，通过编写子程序对 ABAQUS 软件中 Drucker-Prager 蠕变模型进行了修正，建立 了可反映减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变的非线性 蠕变损伤模型，并通过对宜巴高速泥质红砂岩三轴 蠕变试验结果的分析验证了模型的合理性和子程序 的正确性，且得到了泥质红砂岩的蠕变参数。
c U d p v (t )
(1)
c (t ) 为经过 t 时间蠕变产生的体积扩容；p 式中： v
为体应力，三轴蠕变过程中 p ( 1 2 2 ) / 3 ，其 中， 1 为轴压， 2 为围压，蠕变试验过程中 p 为 定值。 谢和平[9]基于岩石中含有大量的细微空隙和微 裂纹，岩石损伤主要是由沿岩石晶界面的成核和晶
为了说明该蠕变损伤函数的合理性、适用范围 以及 ， 对于蠕变损伤的影响，对式(4)进行进一 步的分析： (1) 根据损伤的定义， 1≥ U d ≥ 0 ，且 U d 0 时， Dc 0 ，这就要求 ＞0 ；
(U d ) 1 exp[ (U d ) ] ，损伤 D 为单调递增 D c c ＞0 ，所以要求 ＞0 ； 的函数即 D
c
cr A( cr ) n t m
(5)
式中： cr 为等效蠕变应变； cr 为等效蠕变应力； A ， m ， n 均为材料常数，其值根据蠕变试验结果 确定。当考虑蠕变非线性时，需要引入合理的蠕变 损伤因子，引入损伤因子后幂指数模型[17]可以表示 为 A( cr ) n t m (6) cr 1 Dc 三维情况下，蠕变应变张量可以表示为 G cr c cr ( cr，t )
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDIES OF CREEP DAMAGE BEHAVIOR OF SOFT ROCK
TIAN Hongming，CHEN Weizhong，TIAN Tian，WANG Hui，ZHAO Wusheng
(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)
d Dc 1 exp[ (U d U 0 ) ]
(2)
式中： ， 均为与含水率、温度等有关的材料参 数；U 0d 为与初始蠕变损伤 Dc0 对应的损伤初始耗散 能。当忽略初始蠕变损伤影响时，式(2)可简化为
Dc 1 exp[ (U d ) ]
损伤 Dc
= 5.0 = 4.0 = 3.0 = 2.5 = 2.0 = 1.5
摘要：在高地应力软岩隧道修建过程中，由于围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性。岩石的蠕变 损伤与其内部微裂纹的延伸和扩展密切相关，宏观表现为蠕变过程中的体积扩容，通过对岩石扩容过程中损伤耗 散能变化规律的分析，建立蠕变损伤演化方程，通过引入蠕变损伤因子对 ABAQUS 软件自带的蠕变模型进行修 正，得到非线性蠕变损伤模型。应用所建立的蠕变损伤模型，对宜巴高速泥质红砂岩的三轴蠕变试验结果进行反 演，结果表明，该模型可以很好地反映高地应力软岩在蠕变中的减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变 3 个阶段。 关键词：岩石力学；高地应力；软岩；蠕变损伤模型；三轴蠕变试验 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)03–0610–08
对泥岩进行了不同围
压的三轴蠕变及单轴蠕变试验研究，结果表明，每 一级围压下径向蠕变和径向瞬时应变的比值均比轴
• 612 •
岩石力学与工程学报
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.00
2012 年
体的节理断裂使得新的微空隙产生，原有的微空隙 发展、汇合所造成的，提出岩石的损伤演化与能量 耗散之间存在如下关系：
收稿日期：2011–08–08；修回日期： 2011–11–27
基金项目： 国家自然科学基金资助项目(51009133)；湖北省自然科学基金资助项目(2010CDB10401) 作者简介： 田洪铭(1985–)，男，2007年毕业于山东大学土建与水利学院土木工程专业，现为博士研究生，主要从事软岩隧道合理支护方面的研究工 作。E-mail：tianhongming1111@
第 31 卷 第 3 期
田洪铭等： 软岩蠕变损伤特性的试验与理论研究
• 611 •
左右，最大的达到 1 500 m，洞身经过区域的地应 力达 30～40 MPa，而隧道洞身所经区域的围岩单轴 强度低于 20 MPa ， 是典型的高地应力软岩隧道[1]。 在施工过程中高地应力软岩隧道围岩变形和破坏将 会表现出明显的时效性和非线性，因此开展高地应 力软岩蠕变特性的研究对揭示高地应力下，软岩隧 道围岩的变形、破坏机制，提出合理的加固措施具 有十分重要的意义。 很多学者对高地应力下软岩蠕变非线性特性进 行探索研究： 孙 钧 通过建立能够反应应力水平影 响的经验公式来反映蠕变变形的非线性加速阶段； 丁志坤等[3-4]在 H-K 体的基础上，考虑了 Kelvin 模 型中弹簧元件的弹性模量随时间的变化，建立了岩 石黏弹性非定常蠕变方程；王来贵等[5]通过对非线 性蠕变模型和蠕变曲线的分析，把非线性蠕变通过 局部线性化，得到了改进的西原正夫模型。随着损 伤力学的不断发展，越来越多的学者认为蠕变的非 线性是由于其内部损伤演化的结果：陈卫忠等[6]认 为盐岩的蠕变速率不仅与时间相关，而且还与累积 蠕变变形密切相关，因此引入了与累积蠕变变形呈 负指数关系的损伤因子来描述加速蠕变；范庆忠等[7] 基于 Kachanov 幂律式蠕变损伤变化规律，建立了 同时考虑蠕变硬化和蠕变损伤的非线性蠕变损伤本 构模型；杨春和和陈 锋[8]基于谢和平[9]推导的岩石 普适的损伤演化方程，建立了能够反映盐岩蠕变全 过程的蠕变损伤本构模型；陈 锋等[10]通过采用能 够反映偏应力和围压影响的损伤因子，建立了新的 蠕变损伤本构模型；蒋昱州等[11]建立了以应力水平 与时间为变量的损伤演化方程。 岩石的损伤演化与其内部微裂纹和裂隙的产生 和扩展密切相关。岩石由化学成分和强度不同的各 种矿物颗粒组成，由于经历了长时间的地质构造作 用，其内部随机分布着大量的细微裂纹和空洞，并 将岩石分割为形状各异、强度不同的受力单元。当 岩石受到外力作用时，将会导致其内部的受力单元 沿细微裂纹和空隙产生滑动，导致岩石内部应力重 分布，那些强度较低的受力单元将有可能产生破坏， 导致微裂纹延伸和扩展，从而导致岩石的损伤。 岩石的损伤总是伴随着内部受力单元的滑移以 及微裂隙的产生扩展，其宏观表现为体积扩容。很 多学者对蠕变试验过程中岩石的扩容和损伤演化规 律进行了试验研究：崔少东
Abstract：When tunnelling in high geostress region，the surrounding rock is often subjected to high geostress， and the increasement of deformation and creep damage for surrounding rock will show clear time effects and nonlinearity. The creep damage evolution of rock is related to its dilatancy which is caused by development of internal mico-crack of rock，and by analyzing the damage energy dissipation in process of dilatancy，a new creep damage evolution equation is established. The creep model of ABAQUS is amended by introducing the creep damage factor，and a new nonlinear creep damage model is obtained. This model is used to analyse the result of triaxial creep test for red sandstone which is got from Yichang—Badong expressway. The back analysis results show that the creep model can describe decay creep，stability creep and accelerate creep of rock in triaxial creep test. Key words：rock mechanics；high geostress；soft rock；creep damage model；triaxial creep test 且还会受到隧址区高地应力影响。如目前正在建设