基于微观试验的大理岩蠕变机理及蠕变模型研究

借助电子显微镜和偏光显微镜扫描测试，并结合声发射试验等测试手段，通过对比分析大理岩在单轴压缩试验和单轴蠕变试验不同阶段的微观结构变化、裂隙网络变化、微破裂方式及破裂断口的微观结构，并将单轴压缩试验和单轴蠕变试验的破坏过程、破坏方式、破坏形态和声发射过程进行对比分析，研究大理岩在单轴蠕变过程的微观结构变化；进一步研究加载时间、分级加载级数、初次加载应力对蠕变微观结构的影响，探讨蠕变的微观机理。对电子显微镜扫描测试图像进行数字图像处理，提取其分维指标，将微观结构变化定量化，得出分维指标在蠕变过程的变化曲线，建立分维指标和宏观力学参数的对应关系，结合统计损伤理论，定义合适的蠕变损伤变量，用宏观力学参数去描述微观结构变化，从损伤演化的角度对单轴蠕变进行解释，建立反映蠕变机理的蠕变损伤模型，为岩质边坡变形破坏预测奠定理论基础。

关于岩石蠕变，宏观蠕变试验研究成果较多，进行电子显微镜扫描和偏光显微镜扫描微观试验研究的不多。本项目进行了大理岩的宏观单轴蠕变试验、电子显微镜扫描和偏光显微镜扫描微观试验。在试验结果分析整理的基础上，获得了大理岩宏观蠕变特性，蠕变破坏形态，蠕变过程微观结构演化特点，并对蠕变机理进行了探讨。根据大理岩单轴蠕变试验曲线特点和蠕变损伤演化特点，建立了大理岩蠕变模型。主要取得以下成果：①采用分级加载方式，通过改变各级应力水平和加载时间来设计不同的应力路径，进行不同应力路径下的大理岩单轴蠕变试验。分析比较试验获得的等时应力应变曲线、加速蠕变曲线和破坏形态，来研究应力路径对大理岩单轴蠕变特性的影响；②对蠕变破坏大理岩断口与切片进行了微观观察试验，对破坏断口的微观花样与切片裂纹的展布及形态等微观结构变化进行了分析，并在此基础上对大理岩蠕变破坏机理进行了探讨，得出大理岩蠕变破坏的发展模式；③编制了岩石分形维数计算软件，在数字图像处理的基础上利用该软件计算了大理岩蠕变破坏宏微观裂缝分形维数，从分形维数的角度解释了大理岩的蠕变破坏程度；④结合新理论和对已有的蠕变元件改进的基础上，建立了4种大理岩蠕变模型，理论曲线和试验曲线吻合较好。4种蠕变模型为：基于分数阶微积分元件与非线性粘滞元件构建了大理岩蠕变模型；基于分数阶微积分元件与改进弹塑性体元件构建了大理岩蠕变损伤模型；引入反映时间效应的表达式，建立了修正的五元件Kelvin 模型；基于支持向量机理论构建了分别加载下大理岩蠕变的支持向量机模型。