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
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
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。
岩石蠕变模型研究进展及若干问题探讨
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。
岩石蠕变性能和徐变性能测试方法与分析
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。
岩石流变的本构模型及其智能辨识研究
岩石流变的本构模型及其智能辨识研究岩石流变是岩土工程围岩失稳破坏的重要原因之一。
本文在综述国内外前人有关研究的基础上，围绕“岩石流变的本构模型”这一中心课题，从模型的构建和辨识两个方面进行了创造性研究。
为使预定的研究工作能顺利开展，首先整修了本实验室现有的两台CFQ-1型单轴蠕变试验仪，并对其中的一台蠕变仪进行了改装，使之不但能进行岩石的单轴蠕变试验，而且能进行结构面的直剪蠕变试验。
此外，还自行研制开发了一台用于软岩流变研究的蠕变-松弛耦合试验仪。
为了克服软岩试件加工成型的困难，研究了一种以石蜡、大理石砂和凡士林等为原料的软岩相似材料，该材料与自然界泥页岩等较软弱岩类具有十分相似的力学性质，适合于作软岩的流变试验研究。
进行了软岩的不含结构面、含倾角为0°、15°、30°、45°结构面试件的相似材料逐级加卸载蠕变试验，提出了一种可用来描述软岩复杂非线性流变力学行为的新的复合力学模型。
由此出发，详细探讨了软岩蠕变的结构效应，获得了该复合力学模型参数值与结构面倾角值之间的非线性回归函数关系。
在本实验室原有试验工作的基础上，研究了软岩流变的尺寸效应。
据某工程现场砂质页岩不同尺寸岩样的单轴蠕变试验结果，以萨乌斯托维奇模型为该类岩石的流变力学模型，研究了其本构参数的尺寸效应，获得了试件尺寸与流变模型本构参数值间的量化关系。
由此探讨了对工程岩体作连续性假设时涉及的连续微元尺寸概念及所适用的岩体范围。
进行了结构面的逐级加卸载压剪蠕变试验，对结构面蠕变力学行为进行了详细的讨论，并提出了一种适用于描述结构面复杂非线性流变力学行为的新的复合力学模型。
以此为基础，探讨了结构面流变的表面粗糙度效应，获得了此复合模型力学参数值与结构面表面粗糙度值之间的非线性回归函数关系。
采用新研制的蠕变-松弛耦合试验仪，进行了软岩的蠕变-松弛耦合试验，探讨了该仪器简单实用的工作原理，获得了如下结论：所研制的试验仪能用于软岩长期强度的测定及流变本构方程参数的确定：其加载方式有单级加载和逐级加载两种方式，其中后者用于软岩长期强度的确定时更为客观科学；该仪器用时较省、操作简便、稳定性好、精度较高，所得结果偏于安全，可在工程中推广应用。
水环境下岩石蠕变特性及本构模型研究综述
Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2023, 12(9), 1197-1202 Published Online September 2023 in Hans. https:///journal/hjce https:///10.12677/hjce.2023.129138水环境下岩石蠕变特性及本构模型研究综述石棋军重庆科技学院建筑工程学院，重庆收稿日期：2023年8月6日；录用日期：2023年8月27日；发布日期：2023年9月7日摘要 岩石的重要力学特性之一是蠕变，而水又是影响岩石的蠕变力学性能的一个关键因素。
本文主要阐述了近年来国内外学者对岩石在水环境下进行的蠕变试验和本构方程方面的研究成果，并对未来的岩石蠕变及本构方程研究方向进行了展望。
关键词岩石，蠕变试验，本构方程，水环境Research Review on Creep Characteristics and Constitutive Model of Rock under Water EnvironmentQijun ShiSchool of Civil Engineering and Architecture, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing Received: Aug. 6th , 2023; accepted: Aug. 27th , 2023; published: Sep. 7th , 2023AbstractOne of the important mechanical properties of rocks is creep, and water is a key factor affecting the creep mechanical properties of rocks. In this paper, the research results of creep test and con-stitutive equation of rock in water environment carried out by domestic and foreign scholars in recent years are mainly described, and the research direction of rock creep and constitutive equa-tion in the future is prospected.石棋军KeywordsRock, Creep Test, Constitutive Equation, Water EnvironmentCopyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言随着我国经济实力的快速发展，如地下洞室、大型水电站、道路桥梁等基础工程开始大规模建设，在建设这些大工程中，水环境中岩土工程类问题急需解决，水对岩石的作用对岩土类工程的时效变形和稳定性有着举足轻重的地位，因此这类问题成为国内外学者的关注重点。
盐岩蠕变特性及其非线性本构模型
盐岩蠕变特性及其非线性本构模型王军保;刘新荣;郭建强;黄明【摘要】为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验.试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高.基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别.拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)003【总页数】7页(P445-451)【关键词】盐岩;蠕变特性;非线性模型;参数识别【作者】王军保;刘新荣;郭建强;黄明【作者单位】西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;重庆大学土木工程学院,重庆400045;西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;重庆大学土木工程学院,重庆400045;重庆大学土木工程学院,重庆400045;福州大学土木工程学院,福建福州350108【正文语种】中文【中图分类】TD313;TU45Key words:salt rock;creep properties;nonlinear model;parameters identification蠕变特性作为盐岩典型的力学性质之一,是影响盐岩地下储存库长期稳定性、安全性以及可用性的关键因素。
由于盐岩在能源地下储存方面的重要地位,近年来国内外学者对盐岩蠕变特性及其本构模型进行了较多研究。
砂质泥岩的剪切蠕变特性和本构模型探究
的碎裂 岩体 及碎 块石 土 夹 粉质 黏 土 ， 滑 坡 的前 部 则 在 以粉质 黏土 为主 ， 以推 断 该 滑坡 是 沿 较软 弱 的砂 质 可
泥岩层 发 生蠕滑 变形 的 。因此很 有必要 开展砂 质泥 岩
由于 滑坡所 在 区构 造 应力 基 本 上 已经 释 放 完毕 ， 因此 在正 应 力 设 计 中只 考 虑 滑 床 以 上 滑 体 的 自重 应
度逐 渐 降低 ， 至导 致破 坏 ， 甚 蠕变 现象 现在 引起 了广泛
的关注 。而 要 研 究 岩 石 的 蠕 变 变 形 规 律 并 应 用 到 实 际工 程 中 ， 本 构模 型是 一 项极 其 重 要 的 内容 。研 其 究人 员 已经利 用各种 简单 元件 的组合 提 出了许多 岩石 蠕变 模 型 ， Ｍ ｘ ｅ 模 型 、 ｉｇ ａ 模 型 、 ｕｇｒ 如 ａｗ ｌ ｌ Ｂｎ ｈｍ Ｂ ｒ ｓ模 ｅ 型、 广义 Ｋ ｌ ｎ模 型以及 西 原 模 型 。由 于在 蠕 变 过程 ｅｉ ｖ
的剪切 蠕 变特性 及本 构 关 系 的研 究 ， 而 能够 为 天 台 从
乡滑坡 形成 机制 的探 索 和 蠕 滑过 程 的 数值 再 现 ， 以及
力， 经计 算 后 确定 设 计 值 为 ０ ７ Ｐ ， 下各 浮 动 两 ．４Ｍ ａ 上
级， 共做 ５块试样 ， 故设 计 正应 力值 分 别 为 ０ １ ａ ．３ ＭＰ ， ０ ４ ａ０ ７ Ｐ ，． ４ Ｍ ａ １３ ａ ． ４ＭＰ ，．４ Ｍ ａ １ ０ Ｐ ，． ４ ＭＰ 。关 于剪 应 力 的施 加采用 逐级 增 量加 载 方 法 ： 先对 试 样 施 加一 恒
关键 词 ： 质 泥岩 剪切蠕 变特 性 广义 Ｋ ｌ ｎ模 型 先期损 伤 量 砂 ｅｉ ｖ 中图分类 号 ：Ｕ ５ 文献标 识码 ： Ｔ ４７ Ａ 损伤 模 型
岩体蠕变结构效应的数值模拟研究
第25卷增2岩石力学与工程学报V ol.25 Supp.2 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006 岩体蠕变结构效应的数值模拟研究丁秀丽1，刘建2，白世伟2，盛谦2，徐平1(1. 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉 430010；2. 中国科学院岩土力学重点实验室，湖北武汉 430071)摘要：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。
关键词：岩石力学；岩体蠕变；数值模拟试验；结构效应；单轴压缩；三轴压缩；蠕变速率；蠕变强度中图分类号：TU 45；O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增2–3642–08STUDY ON NUMERICAL SIMULATION OF STRUCTURE EFFECTS OFROCK MASS CREEPDING Xiuli1，LIU Jian2，BAI Shiwei2，SHENG Qian2，XU Ping1(1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan，Hubei430010，China；2. Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei430071，China)Abstract：In this paper，structural effects of rock mass creep are studied by using numerical test. A series of uniaxial and triaxial compression creep tests on homogeneous rock and rock masses with different distributing attitudes and amounts of the structural planes are simulated by using numerical test method. Based on the simulation results，the structural effects，effects of peripheral pressure as well as the deformation behavior and failure characteristics of rock mass creep with different structures are analyzed. The results show that the attitudes of structural plane play a dominant role in the creep characteristics of rock mass，not only influencing the creep strength and displacement distribution，but also controlling the failure condition and failure mode of rock mass. The characteristics of creep curves of the rock mass derived from numerical test have a good agreement with those derived from the uniaxial and triaxial compression creep tests. It also reveals that under high stress condition，there exist some differences among these creep curves of the specimen due to the differences in the attitude of structural planes and magnitude of peripheral pressure.Key words：rock mechanics；rock mass creep；numerical simulation test；structural effect；uniaxial compression；triaxial compression；creep velocity rate；creep strength收稿日期：2006–05–29；修回日期：2006–06–30基金项目：国家自然科学基金重点项目(50539110)；国家自然科学基金资助项目(50479072)作者简介：丁秀丽(1965–)，女，博士，1987年毕业于合肥工业大学水利水电工程专业，现任教授级高工，主要从事岩石工程稳定性与数值分析方第25卷增2 丁秀丽等. 岩体蠕变结构效应的数值模拟研究 • 3643 •1 引言岩体作为赋存于一定地质环境中的地质体，它与其他固体介质的重要区别在于岩体被节理、裂隙、层理、断层等各种结构面所切割，是具有一定结构的多裂隙体。
页岩蠕变特性及模型研究
试 验 方 案 ． 同类 岩 样 制 成 一组 试 件 ． 每 个 试 件 施 加 不 用 对
本 构 方 程
Ｕ 刖 吾
岩 石 的蠕 变 是 当应 力 不 变 时 ， 形 随 时 间 增 加 而 增 长 的 变
现 象 。在边 坡 、 道 、 井 、 坑 、 隧 矿 基 铁路 路 基 等 岩 体 工 程 中． 岩
３ ℃ 时进 行 ， 考 虑 温 度 、 水 量 对 试 验 结 果 的 影 响 。 ７ 未 含
将 模 型 理 论 曲 线 与试 验 曲线 进 行 对 比分 析 。
（） 石 试 件 在 恒 定 荷 载 作 用 下，应 变 随 时 间 增 加 而增 １岩 长， 即发 生 明 显 的 蠕变 现 象 。 （ 岩 石 试 件 的应 变 速 率 随 时 间 增 加 而减 小 ， 至 不 变 ． ２ ） 直
处 于典 型 蠕 变 曲线 的 前 两 个 阶段 ： 初始 蠕 变 阶段 和 等 速 蠕 即 变 阶 段 。 产 生 的 蠕 变 具 有 稳 定 的 性 质 。 采 用 的应 力 小 于 该 所 岩 石 试 件 的长 期 强 度 。 （） 石 试 件 产 生 的 瞬 时应 变 量 ， ３岩 随应 力 的增 大 而增 大 。
应变 （一 ） Ｅ ６
图 ３ 不 同 蠕变 时 间上 的 应 力 一 变 曲线 应
３蠕 变 模 型
从 试 验 结 果 可 以 看 出 ， 石 试 件 有 瞬 弹 变 形 ， 蠕 变 模 岩 则 型应 有 弹性 元件 ： 变 曲线 反 应 了应 变 随时 间增 加 而 增 大 的 蠕 关 系， 则模 型应 有 粘 性 元 件 ； 加 载 应 力 小 于 长 期 强 度 ， 间 Ｔ 在 时
基于分数阶微积分的岩石非线性蠕变本构模型研究及其在Flac3D中的二次开发
3、引入损伤变量。当蠕变变形达到一定程度时，岩石内部会产生微裂纹，因 此需要在模型中引入损伤变量来描述这一过程。损伤变量的变化可以通过引入 一个损伤演化方程来描述。
4、结合损伤演化方程和分数阶微分方程，构建完整的非线性蠕变损伤力学模 型。
五、应用和展望
基于分数阶微积分的岩石非线性蠕变损伤力学模型可以广泛应用于岩石工程中 的稳定性分析、预测和优化设计。例如，它可以用于预测隧道、大坝和桥梁等 基础设施在长期运营过程中可能出现的蠕变损伤问题。此外，该模型还可以为 采取有效的预防和补救措施提供理论支持。
3、优化材料的加工和使用性能。通过该模型可以深入了解材料的微观结构和 性能之间的关系，为材料的优化设计和加工提供理论指导。
讨论与结论
基于分数阶微积分的非线性黏弹塑性蠕变模型是一种有效的工具，在描述材料 的非线性黏弹塑性行为方面具有广泛的应用前景。然而，该模型仍存在一些挑 战和限制：
1、模型的参数确定需要大量的实验数据，而且某些参数可能难以获得；
2、分数阶微积分的计算比整数阶微积分更加复杂，需要采用数值方法进行求 解，这可能会增加计算成本；
3、尽管该模型能够描述许多材料的非线性行为，但并不能适用于所有材料， 特别是一些具有非常复杂行为的材料。
未来研究方向
为了更好地应用基于分数阶微积分的非线性黏弹塑性蠕变模型，以下几个方面 值得深入研究：
模型应用
该模型在解决实际问题中具有广泛的应用，例如：
1、描述材料的蠕变和松弛行为。在高温或高应力的长期作用下，材料的形状 和大小会发生变化，该模型可以描述这种变化的行为；
2、描述材料的疲劳行为。材料的疲劳失效是一个复杂的过程，受到许多因素 的影响，如循环应力、温度和环境介质等，该模型可以描述这种失效的过程；
岩石蠕变模型及蠕变参数识别研究综述
1. 引言
蠕变是正常应力作用下变形(应变)随时间发展而增加的现象。 大量工程实践和研究表明， 岩体的失稳 破坏与时间之间密切相关[1]。不同岩体表现出不同的蠕变特性，差异也很大。目前，对于岩石蠕变的研 究已广泛开展起来，1939 年 Griggs 在对砂岩、泥板岩和粉砂岩等进行了大量蠕变试验后，发现了岩石蠕 变的荷载范围[2]。Okubo 完成了大理岩、砂岩、花岗岩和灰岩等岩石的压缩试验，获得了岩石加速蠕变 阶段的应变-时间曲线[3]。Hayano K 等进行了沉积软岩的长期蠕变试验[4]。对于岩石蠕变模型的研究， 众多学者提出了多个阶段的岩石蠕变模型和蠕变本构关系。这些蠕变模型主要分为经验模型、元件组合 模型和断裂损伤模型。对于蠕变模型参数的识别也是研究的一大重点，各位学者和研究人员根据不同实 际情况，提出许多有实用价值的参数识别方法。经过多年的研究，关于蠕变模型和参数识别方面的研究 十分多样，本文在前人研究结果的基础上，对岩石蠕变模型和蠕变参数识别的方法进行分类和总结，希 望能对接下来的岩石蠕变研究提供有意义的帮助和借鉴。
2. 岩石蠕变模型
2.1. 经验模型
蠕变经验模型是在蠕变试验结果基础上，使用数理拟合的方法，对岩体的应力、应变与时间建立函 数关系式，也即为岩石蠕变经验方程。经验蠕变模型中主要有老化、流动、硬化和继效等理论，范广勤 对其进行了详细的总结[5]。不同的岩石在不一样的条件下，可得出不相同的蠕变经验模型。岩石蠕变经 验方程的通常形式为：
3. 蠕变模型参数识别
蠕变实验作为研究岩石蠕变力学性质的一大方法，受到了研究者的广泛关注。根据蠕变试验提供的 实验数据， 建立了合适的蠕变模型， 并给出了相应的蠕变参数， 这一直是岩石蠕变领域的一个重要课题。 一种好的技术方法对参数辨识有着深远的影响。目前，蠕变模型参数识别的常用方法有回归反演法、最 小二乘法，流变曲线分解法和极大似然法，其中回归反演法和最小二乘法最为常用。识别方法有数值方 法和解析方法。
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流变学作为力学的一个分支,主要研究材料在应力、应变、温度、辐射等条件下与时间因素有关的变形规律,所涉及的内容包括蠕变、应力松弛和弹性后效等。
蠕变是影响岩体稳定性的一个重要因素。
软弱岩石在受到较低水平的应力作用时,就会产生明显的蠕变现象,如软岩巷道中的底鼓,即使是很坚硬的岩体,在高应力作用下同样会产生蠕变,从而影响到工程的功能和使用。
因此,需要对岩石材料的蠕变行为进行深入研究,力求从本质上揭示其蠕变行为的特征。
本文通过实验研究和理论分析,得到了盐岩的基本力学参数,并研究了盐岩在不同应力条件下的力学特性和蠕变行为。
以经典蠕变模型为基础,结合分数阶微积分理论,构建了一个新的蠕变模型,并利用盐岩、泥岩和煤岩的蠕变实验数据对其进行了验证。
(1)对盐岩材料进行了多组单轴和三轴压缩实验,并在每组实验中选取三个试样重复进行实验,以此来降低实验的随机性和试样个体的差异性。
结果三个试样的测试结果比较接近,此批试样的个体差异性较小。
此外,常规压缩实验的结果还表明随着围压的增大,抗压强度和最大应变会随之增大。
(2)在单轴蠕变实验中,选取了四个轴压水平来进行实验,分析了不同轴压对蠕变的影响。
当轴压水平越大时,加速蠕变阶段就会越早地出现,并且稳定蠕变应变率也会越大。
与单轴蠕变相比,当材料受到一个较小的围压作用时,其蠕变行为也会发生巨大的变化,例如蠕变应变率大幅下降、蠕变时间大幅增长、加速蠕变阶段缺失等。
(3)通过分析不同应力条件下的蠕变应变率可以发现,稳定蠕变应变率与轴压大小呈线性关系,加速蠕变应变率与轴压大小也呈现出正相关性。
此外,蠕变等时曲线表明随着时间的延长,轴压大小对蠕变的影响会越来越明显。
相反,围压会明显地降低蠕变应变率并抑制蠕变行为的发展。
(4)结合分数阶微积分理论构建了一个新的非线性蠕变模型,并利用广义塑性力学理论和张量分析理论对新模型在三轴应力状态下的蠕变方程进行了推导。
以盐岩实验数据为基础,对蠕变模型的参数进行了辨识,并验证了模型的准确性。
类岩石蠕变本构试验的探究
究工作 也最 具重 要性 和工程 实用 价值 。室 内蠕变 试 验是 了解岩体 蠕 变力 学 特 性 的 主要 手 段 ， 体 在不 岩
同 应 力 状 态 下 的 不 同蠕 变 试 验 曲 线 如 图 １ 示 。 所
Ｄ
ｏ
ｔ ｌ
ｔ ２
ｔ ３
ｔ
图 １ 岩 石 ３种 典型 的蠕 变 试 验 曲线
ｐｒ ｃ ｓ ． Ｓｔ ｄ ｒ ｅ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｓ ｏ ｏｃ ｓ ｓ ｉ ｐ ｒ ａ ｏ ｕｒ ｏｕ ｉ ｇ ｒ ｋ ｓ ａ ｉｉｙ ｏ ｅｓ ｕ ｙ ｏｎ ｃ ｅ ｐ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆ ｒ ｋ ｍａ ｓ ｉ ｍ ｏ ｔ ｎｔ ｆ ｒ ｓ ｒ ｎｄ ｎ ｏｃ ｔ ｂ ｌｔ
图 ３ 试 件 样 本
在 电液伺 服万 能试验 机上 测试试 件 的单 轴抗 压 强 度 ， 使用 的试验 机 如图 ４所示 。 所
中图分类号 ： ＴＵ４ ５ 文献标识码 ： Ｂ ｄ ｔ １ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ６ ４ ３ ０ ． ０ ０ ｚ ． ０ ｏ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ７ — ４ ７ ２ １ ． １ ０ ５
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｃ ｉ ｅ Ｍ ａ ｅ ｉ ｌＣｒ ｅ ｎ ｔｔ ｔ ｖ ｓ ｔ ｄ ｎ Ｒｏ ｋ ｌｋ ｔ ｒ ａ ｅ ｐ Ｃｏ ｓ ｉｕ ｉ ｅ Ｔｅ ｔ
加 工 成 的 标 准 试 件 如 图 ３所 示 。
三轴岩体的蠕变本构关系
三轴岩体的蠕变本构关系
岩石在常温常压下呈现固体状态，但在实际工程中，岩石受到长时间
或高应变速率的加荷作用下会发生蠕变现象，对工程安全产生较大影响。
因此了解岩体蠕变本构关系以及准确地预测蠕变特性对岩石力学
的研究具有重要意义。
三轴岩石蠕变本构关系的建立需要进行一系列的蠕变试验。
常用的试
验方法有恒定应力试验、恒定应变试验和恒定应变速率试验等。
在试
验中可以通过测量岩石的应变变化和应力变化，进而建立岩石的蠕变
本构方程。
三轴试验中，将岩体完全包裹在密封的荷载室内，通过施加原位固应
力或在荷载前先对荷载室达到设定压力的方式，使岩体受到水平应力、垂直应力和轴向应力的作用。
在等震蠕变的过程中，记录功率控制器
输出的荷载时间曲线，测定岩体的应变变化情况，并用相关仪器测定
荷载应力、裂隙压力和环向蠕变量等信息，确定岩体的蠕变特性。
三轴岩石的蠕变本构关系一般采用Kelvin模型、Burger模型和Maxwell模型等来描述。
其中，Kelvin模型是由弹簧和粘滞阻力组成
的串联模型，适用于长时间蠕变过程，而Burger模型主要由弹簧和粘滞阻尼运动组成的并联模型，适用于短时间蠕变过程。
Maxwell模型
则是由包括弹簧和阻尼器的串联模型组成，适用于长时间和短时间蠕变过程。
在选择不同的本构模型进行建立时，应该考虑实际应用场景和蠕变过程的特性。
总之，三轴岩体的蠕变本构关系是岩石力学研究的重要方向，其建立需要进行相应的试验，通过建立合适的本构模型，可以准确地预测岩石蠕变特性，为工程安全提供保障。
岩石流变试验与本构模型研究进展
山东农业大学学报(自然科学版),2006,37(1):136～140Journal of Shandong Agricultural University (Natural Science ) 文・献・综・述岩石流变试验与本构模型研究进展范庆忠1,2,王素华1,2,高延法1(山东科技大学资源与环境学院,山东泰安 271019;山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安 271018)收稿日期:2005-02-27基金项目:国家自然科学基金,项目批准号50474029作者简介:范庆忠(1966-),男,副教授,博士研究生,从事工程力学方面的教学和科研.PRO GRESS I N STU D I ES O N THE RHE OLO G I CAL TEST AN D MOD E L I D ENT I F I CAT I O N O F ROCK F AN Q ing -zhong 1,2,WANG Su -hua 1,2,G AO Yan -fa(1.College of Res ourcesand Envir onment,Shandong Science and Technol oy University,Taian 271019,China;2.College of W ater Conservancy and Civil Engineering,Shandong Agriculture University,Taian 271018,China )Key W ords:Rock rheol ogy,Test,Constitutive model摘要:岩石的流变性是岩石的重要力学特性之一,岩石流变力学研究对于岩石力学的实际问题,尤其是对于深埋于地下的井巷、硐室围岩的稳定问题非常重要。
阐述了岩石和岩体流变试验和本构模型研究的进展概况,同时提出若干需要进一步研究的问题。
关键词:岩石流变;试验研究;本构模型;研究进展中图分类号:T D452 文献标识码:A 文章编号:1000-2324(2006)01-0136-051 引言岩石的流变性是岩石的重要力学特性之一,很多的岩石工程都与岩石的流变性有密切关系[1]。
三轴岩体的蠕变本构关系
三轴岩体的蠕变本构关系1. 引言三轴岩体的蠕变本构关系是岩石力学中重要的研究内容之一。
岩石具有蠕变现象，即在长时间内受到固定应力条件下的变形，而不产生破坏。
了解岩石的蠕变本构关系，可以帮助工程师和地质学家更好地预测和评估岩体的稳定性，并制定相应的工程措施。
本文将就三轴岩体的蠕变本构关系进行详细的讨论。
首先介绍蠕变现象的基本概念和原因，接着分析三轴应力条件下岩石的蠕变本构模型，最后讨论与蠕变有关的实际工程应用。
2. 蠕变现象的基本概念和原因蠕变是指岩石在持续应力作用下，在一段时间内发生的不可逆的塑性变形。
岩石的蠕变是由于岩石中的微观结构、岩层应力和温度等因素的相互作用导致的。
蠕变的主要特点是时间依赖性、应力依赖性和温度依赖性。
蠕变现象的原因可以归结为以下几个方面：1.微观滑移：岩石中的矿物粒子在应力作用下沿着晶格面发生滑动，导致岩石的塑性变形。
2.变形机制的改变：随着应力的增大，在岩石中可能会发生相变或应力纵横比例的改变，使岩石的变形机制从弹性变形转变为塑性变形。
3.微观裂隙闭合：岩石中存在许多微观裂隙，应力的作用可以导致裂隙的闭合，从而使得岩石的整体体积减小。
4.岩石中的流变作用：一些岩石中含有流体，流体的粘滞性和岩石的变形有关，从而影响了岩石的蠕变行为。
3. 三轴条件下的蠕变本构模型三轴岩体的蠕变本构模型是研究岩石蠕变行为的基础。
常用的蠕变本构模型有路易斯、布钦斯基、本特耳和马尔钦科夫等模型。
以下将简要介绍本特耳模型。
本特耳模型是岩石蠕变本构模型中的一种经典模型，它基于弹塑性理论和线性粘弹性理论，并考虑了时间、应力和温度对岩石蠕变的影响。
本特耳模型可以用下面的方程表示：ϵ̇ij=σij−A ijσkk2η+B ijklσ̇kl在上述方程中，ϵ̇i j表示应变速率，σij表示应力，η表示粘性系数，A ij和B ijkl分别表示本特耳模型的参数。
本特耳模型考虑了岩石在不同应力状态下的不同时变特性，并且可以根据实际的蠕变试验数据来确定参数。
岩石流变理论中的蠕变现象
Ｄａ ｍａ ｇ ｅ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｆ ｏ ｒ Ｃｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ： Ｐ ａ ｒ ｔ Ｉ Ｉ －Ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
．
岩石蠕变现象通常通过蠕变试验 的曲线来 确定。图 １ 所 示 为某岩石进行 岩石 蠕变试验 的岩石蠕 变曲线示 意图。
［ ４ 】李春 旺， 孙 强． 几何相似体 应力一 应 变分布相 同时的载 荷 关 系Ⅱ 】 ． 空军工程大学 学报 （ 自然科 学版） ． ２ ０ １ １ （ ０ ２ ）
ａｎｄＡ ｐｐ１ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｔ ｏ Ｃ ｏｎｃｒ ｅ ｔ ｅ ａｎｄ Ｒ ｅｉ ｎｆ ｏｒ ｃ ｅｄ Ｃ ｏｎｃｒ ｅｔ ｅ．
图 １ 石 蠕 变 曲线 示 意 图
Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ｌ ａ ｏ ｆ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ Ｃｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｓ — — Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ
中 ，建 筑 的 土 地 基 的 变形 可 延 续 数 十年 之 久 。 地 下 隧道 竣 工 数 十 年 后 ，仍 可 出现 蠕 变 断 裂 。 因此 ， 土 流 变性 能 和 岩 石 流 变 性
能 的研 究 日益 受 到 重视 。
【 关键词 】 岩石 ；蠕 变；流 变理论
蠕变是指材料在恒定载荷作用下 ，变形 随时间而增大的 过程 。蠕变 是 由材料 的分子 和原 子结构 的重新调 整引起 的 ， 这一过程可用延滞时 间来表征 。当卸去 载荷 时 ，材料的变形 部 分地 回复或完全地 回复 到起始状态 ，这就 是结构重新调整 的另一现象 。 材料在 恒定 应变下 ，应力随着时间 的变化而减小至某个 有 限值 ，这一过程称 为应 力松弛。这是材料 的结构重新调整 的另一种现象 。
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岩石材料的蠕变实验及本构模型研究
流变学作为力学的一个分支,主要研究材料在应力、应变、温度、辐射等条件下与时间因素有关的变形规律,所涉及的内容包括蠕变、应力松弛和弹性后效等。
蠕变是影响岩体稳定性的一个重要因素。
软弱岩石在受到较低水平的应力作用时,就会产生明显的蠕变现象,如软岩巷道中的底鼓,即使是很坚硬的岩体,在高应力作用下同样会产生蠕变,从而影响到工程的功能和使用。
因此,需要对岩石材料的蠕变行为进行深入研究,力求从本质上揭示其蠕变行为的特征。
本文通过实验研究和理论分析,得到了盐岩的基本力学参数,并研究了盐岩在不同应力条件下的力学特性和蠕变行为。
以经典蠕变模型为基础,结合分数阶微积分理论,构建了一个新的蠕变模型,并利用盐岩、泥岩和煤岩的蠕变实验数据对其进行了验证。
(1)对盐岩材料进行了多组单轴和三轴压缩实验,并在每组实验中选取三个试样重复进行实验,以此来降低实验的随机性和试样个体的差异性。
结果三个试样的测试结果比较接近,此批试样的个体差异性较小。
此外,常规压缩实验的结果还表明随着围压的增大,抗压强度和最大应变会随之增大。
(2)在单轴蠕变实验中,选取了四个轴压水平来进行实验,分析了不同轴压对蠕变的影响。
当轴压水平越大时,加速蠕变阶段就会越早地出现,并且稳定蠕变应变率也会越大。
与单轴蠕变相比,当材料受到一个较小的围压作用时,其蠕变行为也会发生巨大的变化,例如蠕变应变率大幅下降、蠕变时间大幅增长、加速蠕变阶段缺失等。
(3)通过分析不同应力条件下的蠕变应变率可以发现,稳定蠕变应变率与轴压大小呈线性关系,加速蠕变应变率与轴压大小也呈现出正相关性。
此外,蠕变等时曲线表明随着时间的延长,轴压大小对蠕变的影响会越来越明显。
相反,围压会明显地降低蠕变应变率并抑制蠕变行为的发展。
(4)结合分数阶微积分理论构建了一个新的非线性蠕变模型,并利用广义塑性力学理论和张量分析理论对新模型在三轴应力状态下的蠕变方程进行了推导。
以盐岩实验数据为基础,对蠕变模型的参数进行了辨识,并验证了模型的准确性。
此外,利用泥岩和煤岩的蠕变实验数据对模型的适用性进行了验证,结果表明新模型可以应用于模拟多种岩石材料的蠕变全过程,具有较为广泛的适用性。