岩石蠕变模型研究进展及若干问题探讨
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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。
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。
岩石蠕变性能和徐变性能测试方法与分析岩石是地壳中的基本构造材料,其性能对于地下工程的设计和施工起着至关重要的作用。
岩石的蠕变性能和徐变性能是研究岩石长期稳定性和变形特性的重要指标。
本文将对岩石蠕变性能和徐变性能的测试方法和分析进行介绍和探讨。
一、岩石蠕变性能的测试方法与分析1. 岩石蠕变性能的定义及重要性岩石蠕变性是指在恒定的应力条件下,岩石随时间的延续而发生的不可逆性变形。
蠕变性能是岩石长期稳定性的重要指标之一,对于地下工程的安全运营和设计起着至关重要的作用。
2. 岩石蠕变性能的测试方法(1)直接剪切试验法:通过对岩石样品施加恒定剪切应力,观察岩石的剪切应变随时间的变化,以评估岩石的蠕变性能。
(2)恒定应力压缩试验法:通过施加恒定应力对岩石样品进行压缩,观察岩石的应变随时间的变化,以评估岩石的蠕变性能。
(3)恒定应力拉伸试验法:通过施加恒定应力对岩石样品进行拉伸,观察岩石的应变随时间的变化,以评估岩石的蠕变性能。
3. 岩石蠕变性能的分析方法(1)蠕变曲线分析:根据岩石蠕变性能测试获得的实验数据,构建蠕变曲线,分析曲线的特征,如蠕变速率、蠕变应变等,以评估岩石的蠕变性能。
(2)蠕变模型分析:将蠕变性能的实验数据输入到合适的蠕变模型中,通过模型仿真分析,得到岩石的蠕变特性和变形规律,以评估岩石的蠕变性能。
二、岩石徐变性能的测试方法与分析1. 岩石徐变性能的定义及重要性岩石徐变性是指在恒定应力条件下,岩石随时间的延续而发生的可逆性变形。
徐变性能是评估岩石短期变形特性和应力松弛程度的指标。
2. 岩石徐变性能的测试方法(1)应力松弛试验法:通过施加恒定应力,观察岩石应变随时间的变化,以评估岩石的徐变性能。
(2)弛豫试验法:通过施加瞬时应力,观察岩石应变随时间的变化,再施加恒定应力,观察应变的进一步变化,以评估岩石的徐变性能。
3. 岩石徐变性能的分析方法(1)弛豫-徐变模型分析:根据弛豫试验与徐变试验的实验数据,将其输入到合适的模型中,通过模型分析得到岩石的徐变特性和变形规律,以评估岩石的徐变性能。
岩土体蠕变特性研究及应用岩土体蠕变是土壤和岩石在应力作用下发生的变形现象。
它在土木工程中起着重要的作用,对工程结构的稳定性和可靠性有着重要影响。
本文将探讨岩土体蠕变特性的研究以及其在工程中的应用。
首先,我们来了解一下岩土体蠕变的基本概念和特性。
岩土体蠕变是指在长时间持续应力作用下,土壤和岩石表现出的强度降低和变形增加的现象。
这种蠕变现象不仅与岩土体的应力状态有关,还与时间、温度、湿度等因素密切相关。
岩土体蠕变可以分为短期蠕变和长期蠕变两种。
短期蠕变主要是指土壤和岩石在较短时间内发生的可逆性变形,而长期蠕变则是指土壤和岩石在较长时间内发生的不可逆性变形。
为了深入了解岩土体蠕变的特性,研究人员采用了各种试验方法和数学模型。
其中一种常用的试验方法是延长剪切试验。
该试验通过施加不同的剪切应力和时间持续来研究土壤和岩石的蠕变特性。
通过实验数据的统计和分析,研究人员可以得出岩土体蠕变的关键参数,如蠕变模量、蠕变指数等。
这些参数对于工程设计和结构稳定性的评估非常重要。
岩土体蠕变的研究成果在工程中有着广泛的应用。
首先,岩土体蠕变的研究可以帮助工程师评估和预测土地和基础的变形情况。
在土木工程中,准确评估土壤和岩石的蠕变特性对于基础设施的设计和施工至关重要。
如果不考虑蠕变效应,工程结构可能会发生变形或失稳。
通过对岩土体蠕变特性的研究,工程师可以采取相应的防护措施,确保工程的稳定性和持久性。
其次,岩土体蠕变的研究还可以为土木工程中的设计提供有关土体性质和力学行为的重要信息。
例如,在道路和桥梁的设计中,工程师需要了解土壤和岩石在不同应力条件下的变形特性。
通过分析岩土体的蠕变特性,工程师可以制定合理的设计方案,确保道路和桥梁的稳定性和安全性。
此外,岩土体蠕变的研究还对地震工程和地下工程领域具有重要意义。
地震是土木工程中一个重要的考虑因素,而土壤和岩石的蠕变特性对于地震波传播和结构响应有着重要影响。
在地下工程中,例如隧道和地下储存设施的设计中,工程师需要考虑土壤和岩石的蠕变特性以保证工程的可靠性和安全性。
岩石蠕变及疲劳损伤特性的研究进展120IndustrialConstructionVol.46,No.4,2016工业建筑2016年第46卷第4期综述岩石蠕变及疲劳损伤特性的研究进展*王亚松马林建刘新宇陈艳(解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,南京210007)摘要:在岩体工程中,岩石的力学特性对工程稳定性的影响较大,特别是岩石的时间效应和累积疲劳效应。
为了避免岩石因蠕变和疲劳而引发灾害,学者们对岩石的蠕变及疲劳的机理和因此产生的物理力学性能的变化做了大量研究。
通过总结岩石的蠕变和疲劳的性质、机理,从损伤的角度,着重对岩石蠕变和疲劳损伤的研究进展进行介绍。
借鉴金属蠕变-疲劳交互作用研究的成果,对岩石蠕变-疲劳交互作用的性质、机理以及研究方法做了简单的探讨,为盐岩储气库的安全稳定研究提供参考。
关键词:蠕变;疲劳;损伤;交互作用DOI:10.13204/j.gyjz201604024DEVELOPMENTINRESEARCHONCREEPANDFATIGUEDAMAGEOFROCKWangYasongMaLinjian LiuXinyuChenYan(StateKeyLaboratoryofDisasterPrevention&MitigationofExplosion&Impact,InstituteofNationalDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)Abstract:Duetothecomplexityofundergroundenvironment,thesafetyandstabilityofrockengineeringarestronglyinfluencedbythemechanicalpropertiesofrock.Inordertoavoidthedisasterresultedfromthecreepandfatigueeffectsofrock,alotofresearcheshavebeendoneonthepropertiesofcreepandfatigueofrocks.Basedonthepreviousresearchresults,itwassummarizedthepropertiesandmechanismofcreepandfatigueofrock.Andfromtheviewpointofdamage,theresearchprogressofcreepandfatigueofrockwasemphaticallypresented.Besides,byreferringtotheresearchresultsofthecreep-fatigueinteractionofmetal,theproperty,mechanismandresearchmethodsofthecreep-fatigueinteractionofrockwerebrieflydiscussed,whichmightbringforwardreasonablesuggestionsontheresearchintothesafetyandstabilityofsaltcaverns.Keywords:creep;fatigue;damage;interaction*国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB036005);国家自然科学青年基金项目(51309234);江苏省自然科学青年基金项目(BK20130065)。
0引言岩石在长时间应力、温度和差应力作用下发生永久变形不断增长的现象,叫做岩石的蠕变。
早在1939年Griggs [1]在对砂岩、泥板岩和粉砂岩等进行大量蠕变试验时就发现,当荷载达到破坏荷载的12.5%~80%时就发生蠕变,它是岩石流变力学中最主要的一种现象,也是岩土工程变形失稳的主要原因。
1980年湖北省盐池磷矿由于岩石的蠕变,160m 高,体积约100万m 3的山体突然崩塌,4层楼被抛掷对岸,造成了巨大的伤亡。
在国外岩石蠕变研究中,Okubo [2](1991)完成了大理岩、砂岩、花岗岩和灰岩等岩石的单轴压缩试验,获得了岩石加速蠕变阶段的应变-时间曲线,结果表明蠕变应变速率与时间成反比例关系。
E.Maranini [3](1999)对石灰岩等进行了单轴和三轴压剪蠕变试验,研究表明,石灰岩的蠕变最主要的表现在是低围压情况下的扩张、裂隙,而在高围压状态下,岩石内部则发生孔隙塌陷,得出石灰岩的蠕变对岩石主要影响是其屈服应力的降低。
Hayano K [4](1999)等进行了沉积软岩的长期蠕变试验。
K.Shina [5](2005)对日本的6种岩石进行了各种条件下单轴和三轴压缩,拉伸试验,统计了各种蠕变影响参数,如蠕变应力对时间的依赖性参数δ,蠕变寿命相关系数α和β等,并对其强度和蠕变寿命做了分析。
由此可见,研究和开展岩石蠕变特性的研基金项目:安徽建筑工业学院2010年度大学生科技创新基金(20101018)。
作者简介:马珂(1987—),男,安徽安庆人,硕士,主要从事岩石力学方面研究。
收稿日期:2011-05-26责任编辑:樊小舟岩石蠕变模型研究进展及若干问题探讨马珂,宛新林,贾伟风,宛传虎(安徽建筑工业学院土木工程学院,安徽合肥230022)摘要:岩石蠕变是岩土工程变形失稳的主要原因之一。
近年来蠕变研究正处于一个探索阶段,本文从四个方面综述了蠕变模型的研究进展。
研究发现,在岩石蠕变的三个阶段中利用经典本构模型均很难描述加速蠕变阶段,研究者们通过新的元件或者改进的非线性黏弹塑性本构模型可以很好的模拟岩石蠕变实际曲线;基于损伤理论的岩石蠕变模型是近年来发展的主要方向,可以很好的解决岩石微观裂纹所带来的蠕变;随着岩石深部工程的发展,岩体受到周围实际环境下的影响是不可忽略的,从而研究含水量的变化与水力和其它应力耦合下的岩石蠕变也是今后的重点。
最后指出,由于试验仪器的原因,高温高压和各向异性下的岩石蠕变模型研究进行的还不是很多,是今后岩石蠕变研究的难点。
关键词:岩石蠕变;本构模型;非线性黏弹塑性;损伤;各向异性:高温高压中图分类号:TU454文献标识码:AAdvances in Rock Creep Model Research and Discussion on Some IssuesMa Ke,Wan Xinlin,Jia Weifeng and Wan Chuanhu(Civil Engineering Department,Anhui University of Architecture,Hefei,Anhui 230022)Abstract:The rock creep is one of major causes in geotechnical engineering deformation and destabilization.The creep research is just in an exploring stage in recent years,the paper has summed up the progress of creep model research from 4aspects.The research has found,among three stages of rock creep,the accelerated creep stage is hard to describe through classic constitutive models,the researchers have found that through new elements or using modified nonlinear visco-elastoplastic constitutive models can modulate rock creep active curves commendably.Rock creep model based on damage theory is the major development direction in recent years;it can solve the rock creep issues brought by microfissures.Along with development of deep rock engineering,impacts from peripheral practical setting on rock mass should not be ignored,thus to study rock creep under coupled moisture content variation and hydraulic,as well as other stresses is also emphasized from now on.Finally,the paper has point out,in virtue of testing instrument,the studies on rock creep model under high temperature,high pressure and anisotropy are not many thus far,and thus the nodus in rock creep studies henceforth.Keywords:rock creep;constitutive model;nonlinear visco-elastoplastic;damage;anisotropy;high temperature and high pressure中国煤炭地质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.23No.10Oct .2011第23卷10期2011年10月文章编号:1674-1803(2011)10-0043-05doi :10.3969/j.issn.1674-1803.2011.10.10第23卷中国煤炭地质究,进一步了解其破坏规律和本构关系,具有很大的社会效应和经济价值。
本文主要从岩石蠕变理论和近些年来本构模型的研究发展来分析讨论,并对今后的研究方向和若干问题提出看法。
1岩石蠕变的基本理论和本构模型岩石的蠕变特性通常用在固定应力下岩石的应变-时间关系来描述。
蠕变一般分为三个阶段,即瞬态蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变。
研究岩石蠕变通常用实验法和模型法。
实验法就是通过一系列的岩石蠕变试验,利用回归曲线拟合,得到经验公式。
一般有幂函数型,对数型以及指数型三种。
但这种方法具有很大的局限性,只能反映特定应力路径下的蠕变特性。
模型法就是假定岩石材料具有刚性体(EU)、弹性体(H )、塑性体(StV)和黏性体(N)四种变形特性,由四种变形原件通过串并联组合表征。
这种方法不仅简单清晰的反映岩石蠕变机制,而且利用数学方法很快得出本构方程。
目前学者们提出的模型有很多种,但最常见的是西原模型、伯格斯模型(BU )、广义开尔文模型以及宾汉姆(B)模型等(图1)。
2岩石蠕变模型的改进与发展研究岩石蠕变的一般做法就是根据岩石蠕变发展破坏的原因,提出蠕变过程的方程(本构模型),然后根据方程中所需要的关键参数,在实验室进行蠕变实验,最后将带有参数的方程应用到现实中去[6]。
常用的经典蠕变元件模型如图1所示,其最大的缺点是均不能很好得描述岩石蠕变第三阶段。
究其原因是由于基本线性组合元件是线性的,所以无论其后面组合的形式多么复杂,模型都不能描述出非线性的,更不能清楚的看到蠕变的三阶段。
对此陈绍杰[7]在煤岩蠕变模型研究中通过试验明确表明西原模型可以较好的描述煤岩的初始蠕变和等速蠕变,但不能描述加速蠕变。
事实上在很多岩石,尤其是软弱岩石加速蠕变很显著,近些年来对描述加速阶段的非线性理论模型人们做了大量的研究。
这些成果从分析问题的角度总的来说可以分为三类:一是在非线性黏弹塑性理论基础上,通过改进模型参数和建立新的元件来模拟蠕变机制;二是考虑到岩石内部的物理原因,通过引入损伤理论建立新的模型来描述岩石蠕变的加速阶段;三是由于工程实际影响,考虑水、应力、高温高压和岩石的各向异性等环境问题建立的模型。
2.1非线性理论模型的改进和发展陈宗基教授首先对岩土流变学进行了系统的研究。
但由于岩石材料的特殊性,使得岩石具有瞬弹型、瞬塑性、粘弹性和粘塑性等共存特性,所以非线性黏弹塑性模型一直是发展的重点和热点。
这些试验研究方法基本上有两种思路:一是以经典模型为基础,而只在其模型方程中再串加上一项非线性的黏性元件作为对线性流变模型的一点修正;二是将岩石的黏滞系数η视为非定常的变数值,由试验确定,再进行非线性流变本构关系的分析[8]。
刘玉春等[9]在引入流变指数下建立了非线性黏弹塑性蠕变模型,最后研究结果较好的反映了岩石试件的三阶段蠕变过程,并且得出岩石流变指数和长期强度都是岩石的一个重要指标。
李成波[10]对三种岩石在不同应力下进行蠕变试验,为了研究蠕变时间对模型的影响,对标准线性体模型引入与时间尺度有关的的函数C (t ),结果表明模型预测能力极大提高;熊诗湖[11]考虑到试件的尺寸效应,采用了五参量广义kelvin 模型描述岩体蠕变,结果表明五参量广义kelvin 模型蠕变公式与试验曲线相关性较好,明显优于三参量广义kelvin 模型。
袁海平等[12]基于Mohr-Coulomb 准则,提出新的塑性元件,假定材料屈服后完全服从Mohr-Conlomb 塑性流动规律,将它与典型的Burgers 模型串联,结果表明此模型能较好的描述岩石蠕变特性。
王来贵[13]以改进的西原正夫模型为基础,利用岩石全过程的应力-应变曲线与蠕变方程中参数的对应关系,对模型的粘滞系数进行改进,推导出可以描述岩石第三阶段的蠕变特性。
曹平[14]在引入非线性蠕变体模型基础上,结合流变力学模型理论,定义应力与试件长期强度比值为加速蠕变速率幂级数n ,模型发生加速蠕变时总蠕变量为蠕变特征程度,得到改进的能够描述岩石黏弹塑性加速蠕变本构模型,曲线拟合表明此模图1蠕变模型关系简图Figure 1A schematic diagram of creep modelsrelationship4410期图2损伤理论在岩石蠕变中的应用Figure 2Application of damage theory in rockcreep型能很好描述加速蠕变。