基于分数阶导数的岩石非线性蠕变损伤模型

利用Riemann-Liouville分数阶理论,给出一种分数阶软体元件及其本构方程,阶数取值不同,可分别模拟蠕变的三个阶段.采用两个分数阶软体元件与虎克体进行组合,引入岩石硬化函数、损伤变量,提出一种新的含分数阶导数的非线性蠕变损伤模型,并推导出该模型的本构方程.利用砂岩的蠕变试验数据进行验证,发现该模型能有效描述砂岩的蠕变特性.     

基于Bingham模型的蠕变损伤模型及其参数辨识

为了更好的描述岩石蠕变全过程,在Bingham模型的基础上,引入非线性函数和弹塑性损伤体,建立一种新的蠕变损伤模型,并推导出其蠕变本构方程。通过将推导出的岩石蠕变本构方程与砂岩三轴蠕变实验曲线进行非线性拟合,确定相关参数,并将所得模型的理论曲线与实验曲线进行对比分析,结果显示该模型对岩石蠕变各阶段的拟合效果都不错,证明了该模型的合理性与可行性。     

基于西原体模型的非定常岩石蠕变模型

为了能反映岩石稳定蠕变阶段力学参数的非线性和准确模拟岩石加速蠕变变形,通过将非线性函数引入Kelvin模型和构建一个关于蠕变破坏时间的损伤黏性元件进而得到一个非线性损伤西原体模型;基于塑性力学理论,推导了该模型的本构方程、一维和三维蠕变方程;引入蠕变试验数据验证该模型并对模型参数进行分析.结果表明该模型对不同形式的岩石...     

岩石试件非线性蠕变模型及其参数确定

以改进的西原模型为基础，结合岩石的应力应变特征，对模型中的粘滞系数进行了改进，推导出的蠕变方程可描述岩石第三阶段的蠕变特性，同时对蠕变模型中的参数进行了确定；并运用MATLAB程序，结合实例作出改进蠕变方程的曲线及蠕变曲面并与通过实验所得曲线进行比较，改进的蠕变方程更能反映岩石的第三阶段蠕变变形。     

煤岩非线性损伤蠕变模型探析

为了研究煤岩蠕变特性,分析前人煤岩蠕变特性实验结果,在广义Kelvin模型的基础上建立了煤岩非线性损伤蠕变理论模型。假定煤岩损伤演化是应力和时间的函数,同时引入非线性硬化函数推导了煤岩非线性损伤衰减蠕变方程和蠕变全过程方程。任意给定方程中材料参数和加载条件,理论得到了煤岩衰减蠕变和蠕变全过程随时间变化曲线,对比前人煤岩蠕变实验结果,验证了用理论模型去研究煤岩的蠕变特性是可行的。     

40Cr 钢 的 高 温 蠕 变 行 为

研究了40Cr钢在不同温度和应力水平下的蠕变行为,并根据实验数据绘制得到蠕变曲线.在实验条件下,40Cr钢的蠕变曲线呈现出较长的稳态阶段和较短的减速阶段与加速阶段.并且其蠕变的稳态速率可以用Norton Power规律来描述,蠕变数据符合Monkman Grant关系的一般形式.同时,基于实验数据,建立了40Cr钢高温蠕变的非线性本构方程,并通过最小二乘法确定本构方程中的参数.将该本构方程计算得到的结果与实验数据进行了比较,发现用该本构方程可以较好地描述40Cr钢的蠕变行为.     

沥青混合料损伤蠕变模型试验研究

在三元件黏弹性模型基础上耦合一个连续性损伤因子,构建一个能够描述沥青混合料三阶段蠕变全过程的损伤蠕变模型。综合考虑黏弹性特性与损伤机制,推导了该模型的本构方程,分析了沥青混合料的蠕变特性。通过沥青混合料在不同应力水平下的单轴压缩蠕变实验,编制非线性拟合程序,得到模型参数和损伤演化曲线。将不同应力条件下模型预测值与实验结果进行对比,结果表明,该模型能准确反映不同应力水平下沥青混合料蠕变过程三个阶段的特征和进入破坏阶段的临界时间。     

改进的Poyting-Thomson岩石损伤蠕变模型研究

针对经典的Poyting-Thomson模型不能描述岩石非线性特征尤为明显的加速蠕变阶段的不足，考虑岩石在蠕变变形过程中裂隙演化损伤过程，基于Kachanov损伤率公式，推导了损伤变量在加速蠕变阶段随应力和时间的演化方程，并根据Lemaitre应变等效原理将黏塑性体中的无损模型参数用有效模型参数代替，来表征岩石加速蠕变阶段的非线性特征；然后将损伤黏塑性体与经典的Poyting-Thomson模型串联，从而建立改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型。采用砂岩、泥质页岩、橄榄岩和粉砂岩压缩蠕变试验结果对改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型的合理性和精确性进行验证。结果表明：改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型理论曲线与试验曲线基本吻合，该模型不仅能反映四种岩石的衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段，而且能准确描述其加速蠕变阶段，拟合相关系数均在0.99以上，其合理性和精确性得到验证。     

考虑含水劣化的泥质粉砂岩单轴蠕变特性研究

基于不同含水状态下T2b2泥质粉砂岩蠕变特性的试验研究结果,建立蠕变模量与含水率之间的数学关系式,表明含水率越大蠕变模量越小.将岩石的含水损伤定义为瞬间弹性损伤和长期蠕变损伤,结合试验结果确立了损伤变量和损伤演化方程,并基于泥质粉砂岩非线性蠕变方程建立了可考虑含水损伤的岩石蠕变模型.针对含水率恒定与变化两种情况下的理论和试验结果分别进行了对比分析,结果表明:①含水率恒定情况下,理论曲线和实验曲线的变化趋势是一致的;②变含水率情况下,理论曲线是介于饱和状态和干燥状态蠕变曲线之间的一种特殊曲线,不同吸水速率对应的瞬间弹性应变与干燥状态相等;吸水速率越大,初始蠕变速率越大,蠕变应变量也越大;吸水速率越小,岩石进入稳定蠕变阶段所需时间越长.     

考虑裂隙塑性的岩石非线性分数阶蠕变模型

为了有效地描述岩石蠕变的加速阶段考虑岩石裂隙压密闭合效应,基于分数阶微积分理论,在模型中加入裂隙塑性元件,并引入变截面黏壶和塑性元件并联成一个非线性黏塑性体,建立五元件非线性蠕变模型。推导出模型的蠕变本构方程,并利用该模型对岩石蠕变试验数据进行拟合,确定模型的蠕变参数。结果表明,该模型能够很好地描述岩石蠕变的三阶段,具有合理性和可行性。     

饱和软土的经验型蠕变模型

通过漳州地区饱和软土的三轴排水与不排水蠕变试验,得到不同偏应力下蠕变曲线和应力一应变等时曲线,发现应力-应变等时曲线可以用一双曲线函数来描述,在此基础上建立应力一应变关系采用双曲线关系,应变一时间关系采用幂函数的经验型蠕变方程.研究结果表明:该模型具有参数少、适用性强的特点;模型参数可以一组蠕变试验数据得到的蠕变曲线中获得,对模型中的参数n可采用分段求平均值的方法提高拟合精度,利用该模型数据拟合的相关系数R2可达0.98;该蠕变方程较Singh-Mitchell模型、Mesri模型能更好地拟合试验数据,较好地反映和预测饱和软土的蠕变特性.     

含水状态下硬脆性泥页岩蠕变特性实验研究

对岩石进行不同含水率下三轴蠕变实验,试样在整个加载过程中,经历了衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个蠕变阶段。根据不同含水率岩样的等时应力应变曲线,可以看出泥页岩的蠕变是非线性的;并且随含水率和应力水平的提高,应力应变的非线性程度也增大。在相同的外载条件下,随着含水率的增加,泥页岩的蠕变变形增加、蠕变进入稳定阶段所需的时间越长;而岩石长期强度呈减小的趋势。说明对于泥页岩地层的钻井施工,需要考虑泥页岩的时效变形行为及流变效应。     

改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型研究

一般情况下,岩石蠕变分为3个阶段,即衰减阶段,稳态阶段及加速蠕变阶段,目前用于描述岩石蠕变的传统元件虽然可以较好地模拟蠕变的前两个阶段,但是对岩石蠕变第3个阶段的模拟效果并不是很好.因此,本文在Poyting-Thomson模型的基础上,引入一种非线性流变元件并对其进行改进,将改进后的元件与Poyting-Thomson模型进行串联,形成四元件流变模型,该模型不仅能够较好地模拟出岩石蠕变全过程,而且具有结构形式简单,参数较少等优点.然后,本文推导出四元件模型的本构及蠕变方程,并研究加速蠕变阶段的参数辨识方法.其次,利用前人所研究的岩石蠕变试验曲线对本文提出的蠕变模型进行参数确定及模型验证,最后将得出的理论蠕变曲线与试验曲线进行比较,结果表明,本文所构建的四元件非线性蠕变模型具有一定的正确性与可行性.     

变加载方式灰岩蠕变试验研究

打破单轴压缩蠕变试验传统的加载方式,改变加载速率和荷载增量法进行单试件逐级增量加载。瞬时加载阶段的轴向应变有如下特征:第一阶段各级的轴向应变速率随荷载级别的增加而降低,且大于第二阶段和过渡阶段所有级别的轴向应变速率。岩石在整个蠕变试验过程中,瞬时应变以硬化机制占主导地位,蠕变应变时颗粒进行受力调整,且加载速率与受力调整时间呈负相关。基于经典的Nishihara模型,参考前人研究成果,建立了能同时体现瞬时蠕变、稳态蠕变和与损伤演化过程有关的加速蠕变三阶段的蠕变本构模型。     

云母石英片岩的蠕变模型研究

首先通过三轴蠕变试验获得了云母石英片岩的蠕变曲线,通过分析蠕变曲线,了解了云母石英片岩的三轴蠕变特性,然后利用线性元件组合模型的建模方法建立了云母石英片岩的黏弹塑性蠕变模型,并且拟合得到了该模型在径向和轴向的蠕变模型参数,最后将黏弹性蠕变模型理论曲线和试验曲线进行对比,两者在径向和轴向均吻合良好,说明所建立的黏弹塑性蠕变模型可以较好地描述云母石英片岩轴向蠕变和径向蠕变,验证了该黏弹塑性蠕变模型的正确合理性.该蠕变模型比西原模型多一个Kelvin元件,对衰减蠕变阶段的描述更加精确.     

考虑加速蠕变的岩石蠕变过程损伤模拟方法

针对岩石蠕变的阶段性特征,在深入研究岩石蠕变力学机理基础上,将岩石蠕变过程视为线性与非线性蠕变过程的迭加,通过引入损伤理论和Kachanov损伤演化规律,构建出可反映岩石非线性蠕变过程即加速蠕变过程特征的弹塑性损伤体元件模型,将其与可较好地反映岩石线性蠕变过程即减速蠕变过程特征的Kelvin元件模型进行串联复合,建立出可反映岩石蠕变全过程尤其是加速蠕变特点的岩石蠕变模型,并提出了简单可行的模型参数确定方法,从而建立出岩石蠕变全过程的新型模拟方法;该模型或方法不仅能较好地模拟岩石从减速到加速的蠕变全过程,而且,模型参数少,易于确定.最后,通过理论与实测曲线的对比分析,表明了该模型的合理性与可行性.     

基于改进分数阶黏滞体的岩石非线性蠕变模型

通过将表征应力水平对岩石非线性蠕变特性影响的函数引入到常规分数阶黏滞体的本构关系中,提出一种改进的分数阶黏滞体;基于岩石非线性流变力学理论,提出一个能够描述岩石加速蠕变的非线性黏滞体,其黏滞系数随应力水平提高和蠕变时间延长而逐渐减小;将改进的分数阶黏滞体、非线性黏滞体与基本弹性体和塑性体进行组合,建立一个新的4元件非线性黏弹塑性蠕变模型,给出模型的蠕变方程,并利用岩石蠕变试验结果对模型合理性进行验证。研究结果表明:该模型能够较好地描述岩石蠕变全过程的3个阶段,且拟合曲线和试验曲线吻合良好,误差较小。     

泥页岩水化膨胀的非线性蠕变模型

泥页岩井壁岩石受到地下流体与入井流体的影响,具有明显的流变效应。根据泥页岩水化膨胀的流变力学行为,借鉴经典元件组合模型的建模思路,提出一种新的膨胀模型,将泥页岩水化膨胀蠕变过程的膨胀元件与黏性元件并联,结合非线性黏塑性体,能有效地模拟泥页岩水化膨胀的蠕变过程。该模型既能反映岩石水化膨胀后的衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,又能反映岩石在高应力下的加速蠕变阶段的水化膨胀非线性蠕变过程。文中取长7泥页岩进行了蠕变试验,通过实验数据拟合发现,该模型可以很好地描述泥页岩水化膨胀后岩石的蠕变特性。     

泥页岩三轴蠕变实验及结果应用

钻井工程中的井壁稳定问题大多发生在泥页岩井段。根据实验得出的岩石力学参数可以较好的进行井壁稳定及相关问题的力学性质分析。详细介绍了采用三轴岩石力学实验机进行的泥页岩三轴蠕变实验的原理,并根据实验结果按照非线性回归的方法得出了描述变形的本构方程及其蠕变系数,结合该泥页岩的粘土含量,为分析该泥页岩的蠕变规律和计算蠕变压力提供了科学依据。同时,根据不同缩径率所需安全钻井液密度下限的计算公式,得出了相应的钻井液密度下限。     

基于Burgers三维损伤蠕变模型的巷道围岩流变特性分析

为了解决传统蠕变模型无法反映加速蠕变阶段的问题,引进了Kachnov损伤理论,在Burgers模型上串联一个弹塑性损伤体。推导出了等围压三轴实验条件下轴向蠕变表达式,并用非线性拟合的方法来识别模型参数。经证明:在该损伤模型中,当岩石所受应力大于屈服强度时,将触发损伤体进入加速蠕变阶段,而岩石的全程蠕变规律可以通过线性与非线性蠕变叠加来进行描述。通过红砂岩蠕变实测曲线与理论曲线对比分析证实了该模型的合理性。此外,本文还推导出Burgers三维损伤蠕变模型在复杂应力条件下的本构方程,并通过拉普拉斯变换得到圆形巷道围岩变形规律的解析解。