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。     

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。     

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。     

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.     

冻结黏土分数阶损伤蠕变模型参数确定及验证

为表达介于理想固体和理想流体之间的人工冻土蠕变特性,常用弹簧元件、黏壶元件与滑块元件间的复杂组合来实现。基于分数阶导数理论则可用较简单的模型来表达人工冻土蠕变性质。分析山西某矿井井筒检查孔黏土不同冻结温度下的单轴抗压、蠕变试验曲线,得到温度对冻结黏土单轴抗压应力应变及蠕变特性的影响规律。在Singh-Mitchell模型的基础上,引入分数阶导数理论,建立受冻结温度、加载等级影响的分数阶冻土蠕变模型。通过分析蠕变与时间取对数的拟合曲线发现两者具有线性关系,进而得出与温度有关的模型参数。鉴于建立的分数阶冻土蠕变模型不能反映冻土蠕变加速阶段,将损伤因子引入建立的分数阶蠕变模型,建立人工冻土分数阶损伤蠕变模型。对比分析分数阶蠕变模型计算值与试验值,表明该模型能够很好地反映人工冻结黏土在稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段变形发展特点。建立的S-M分数阶蠕变模型参数少、易于确定且有一定的物理意义,便于工程应用。     

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...     

大理岩结构面非线性蠕变损伤本构模型研究

针对锦屏二级水电站地下洞室群围岩富含节理的情况,对主要围岩大理岩进行含软弱夹层的剪切蠕变试验,结果表明在应力水平较低时,蠕变变形主要有瞬时弹性变形和黏弹性变形组成,当应力水平较高时,蠕变变形主要有瞬时弹性变形,黏弹性变形和黏塑性变形组成。在广义开尔文模型基础上增加一非线性项,来描述衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段;根据加速蠕变阶段岩石的损伤特性,选取基于应力水平和时间因素的损伤变量,建立了岩石非线性蠕变损伤本构模型,并通过试验结果对该模型进行参数辨识,验证了该模型的正确性和合理性。然后,分别利用该模型和西原(Nishiharamodel)模型对加速蠕变阶段进行拟合,结果表明提出的模型能很好地描述加速蠕变阶段,克服了西原模型的不足。     

考虑系数非定常性的成都黏土非线性蠕变本构模型

为了研究成都黏土蠕变规律,展开固结不排水三轴蠕变试验,分析了成都黏土变形的非线性特性及参数的非定常特性。结果表明：当应力小于黏土屈服强度时,蠕变以线性变形为主,包括瞬时弹性变形和黏弹性变形;当应力大于屈服强度时,蠕变以非线性变形为主,包括黏弹塑性变形,具有显著的非线性特性;蠕变过程中,黏土的弹性模量和黏滞系数均为应力和时间的函数,具有显著的非定常特性。结合元件模型理论和分数阶导数模型理论的优点,构建了考虑弹性模量和黏滞系数非定常特性的成都黏土非线性蠕变本构模型,并对模型进行了拟合验证分析,发现蠕变模型对蠕变各阶段的拟合度较高,充分发挥了元件模型和分数阶导数模型的优点,可以很好地反映成都黏土的蠕变全过程。     

基于颗粒流程序的非定常西原体模型

为实现岩石试样蠕变全过程的准确模拟,并从细观角度探究蠕变过程中微裂隙的发生和发展规律,在二维颗粒流程序(PFC2D)中开发出具有黏弹塑性特征的西原体流变接触本构模型,进一步提出包含两种非定常元件的非定常西原体模型,推导了模型本构关系和蠕变方程.在PFC2D中调用自定义西原体流变模型,通过参数调试,获得与真实试样具有相同强度特性的数值试样.以室内单轴压缩蠕变试验数据为基础,在Matlab中对模型非定常参数进行拟合反演分析.在此基础上,进行单轴压缩蠕变试验的模拟,计算过程中分别采用定常和非定常两种模型,并对微裂隙进行监测.对比分析结果表明:定常模型仅适用于衰减和稳定蠕变阶段;非定常模型也可用于描述加速蠕变阶段,从而准确模拟蠕变全过程;加速蠕变阶段主要是由微裂隙的加速发展而产生,加速蠕变将导致试样剪切破坏.     

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。     

冻结饱水砂卵石蠕变损伤特性试验研究

以北京典型饱水砂卵石地层为研究对象,基于损伤演化及元件模型理论,引入弹性体、黏壶体及损伤体,建立了Ⅰ、Ⅱ类蠕变损伤模型,并通过-10℃条件下饱和砂卵石的三轴蠕变试验对该模型进行了验证。研究表明:当应力差较小时,蠕变主要以瞬时弹性变形为主,均大于该阶段总变形量的57.62%,随着应力差的增大,蠕变以非线性变形为主;蠕变进入加速破坏阶段的应变均大于7.16%;围压为0～0.3 MPa时,冻结砂卵石的长期强度在2～3 MPa,围压为0.6～1 MPa时,长期强度在3～4 MPa,冻结砂卵石的长期强度为瞬时强度的0.23～0.42倍;引入损伤体建立的蠕变损伤模型可以较好地反映冻结砂卵石的Ⅰ、Ⅱ类蠕变规律,可为工程设计及数值模拟提供理论基础。     

基于裂隙演化微分动力学机制的岩石损伤本构模型

为研究天然岩石内部不同形态裂隙的演化行为与岩石累计损伤程度之间的关系,运用唯象理论将岩石分为完整岩石微元体、闭合裂隙微元体和开口裂隙微元体3组分。基于生物群落生长逻辑建立岩石的裂隙演化微分动力学方程,并利用半解析方式求解岩石闭合裂隙与开口裂隙在受压状态下的演化表达式,实现压缩过程中岩石不同微元体之间转化关系的量化。其中开口裂隙演化曲线呈先下降后上升趋势,反映初始开口裂隙在压密阶段前后的变化规律,符合压密阶段非线性的应力-应变曲线关系。随后,以岩石裂隙演化解析表达式定义岩石压缩破坏的全局损伤变量,精准量化岩石在初始阶段、压密阶段、弹塑性阶段以及峰后阶段的全过程损伤程度,并提出基于上述裂隙演化机制和全局损伤变量的损伤本构模型。最后,基于微分方程理论推导、强度准则以及多目标优化等多种手段确定损伤本构模型参数,完成对岩石三组分初始比例以及3种裂隙转化因子的稳定求解,进而实现岩石压缩过程中的应力应变曲线仿真。研究结果表明：在煤岩及炭质泥岩的实例分析中,所建立的损伤本构模型能够较好表征不同岩石在不同围压下的应力应变特征及裂隙扩展规律,模型仿真结果与试验结果基本吻合。     

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。     

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.     

基于广义Kelvin模型的三维流变损伤本构模型

岩石加速流变阶段蠕变损伤引起的附加蠕变是导致岩石破坏加快的重要原因．以一维广义Kelvin体应力应变关系为基础,推演三维流变本构方程,并引入Kaehanov损伤演化方程,建立了基于广义Kelvin模型的三维流变损伤本构模型．通过对花岗片麻岩三轴流变试验结果的模拟,验证了该模型的有效性．结果表明：基于广义Kelvin模型的流变损伤本构模型可以反映花岗片麻岩的减速蠕变和等速蠕变过程,并且可较理想地反映加速蠕变过程．     

分数阶Poynting-Thomson流变模型研究

在定义的3种分数阶微积分的基础上,给出了分数阶Laplace变换公式、基于分数阶微积分的软体元件及其本构方程。用软体元件替代整数阶Poynting-Thomson模型中的牛顿体元件,得到与之相对应的分数阶Poynting-Thom-son模型。用分数阶Laplace变换推导出分数阶Poynting-Thomson模型的本构关系,并引入H-Fox特殊函数得出它的蠕变方程和松弛方程。通过一个研究实例,将分数阶Poynting-Thomson模型与整数阶Poynting-Thomson模型进行对比分析,结果表明分数阶Poynting-Thomson模型比一般的组合流变模型拟合精度高,能够克服整数阶模型在蠕变曲线拐点附近与试验数据不能很好吻合的弊端,反映了蠕变的非线性渐变过程,能更有效地描述岩土材料的流变本构特性。     

黏塑性蠕变模型中屈服强度的确定方法

在岩石蠕变特性试验中,当施加的常应力达到一定程度后岩石将发生黏塑性变形,一般用屈服强度判断岩石是否发生黏塑性变形,与弹塑性理论不同,在黏塑性蠕变模型中,屈服强度并不是定值,而是随蠕变时间增长逐渐减小,确定蠕变过程中准确的屈服强度对黏塑性变形计算有重要的影响.首先,通过等时曲线法确定岩石长期强度的过程,对屈服强度随时间的变化规律及确定方法进行研究,阐明瞬时屈服强度与长期强度的关系;其次,把岩石全应力-应变曲线与蠕变等时曲线相结合,有效判断蠕变变形中是否发生黏塑性变形及黏塑性发生的时刻,推导出屈服强度随时间变化情况下的广义宾汉姆模型,结合不同类型岩石的蠕变试验结果,分析采用长期强度代替瞬时屈服强度产生的差值;最后,给出用岩石时效强度进行岩土工程设计的思路.研究成果有助于在蠕变模型中正确使用屈服强度,对蠕变模型研究具有一定的积极意义.     

自然与饱水状态下深部斜长角闪岩蠕变特性

通过金川深部斜长角闪岩单轴压缩蠕变实验,选取典型蠕变曲线,发现该岩石黏弹性、黏塑性变形较瞬时变形偏小,卸载后弹性后效不显著.在5.1 MPa轴向应力下,自然状态的岩样近似纯弹性特征.饱水状态下岩样瞬时强度σ’b和长期强度σ’∝总体低于自然状态,且σ’∝已接近深部高地应力,因此,对于深部节理、裂隙很发育的岩体,应特别注意巷道排水,防止围岩因长期强度降低而导致巷道变形和破坏.自然与饱水状态下岩样瞬时弹性应变εme、瞬时塑性应变εmp随应力增大而增加,但增速逐渐放缓,饱水状态下塑性变形更显著;相同应力下,饱水状态岩样蠕变量大于自然状态,应变速率也总体快于自然状态,2种状态的蠕变速率在20～30 h时都逐渐稳定,且速率曲线随应力增大,微裂隙压密,彼此逐渐靠近,岩样处于相对硬化阶段;当轴向应力达到66.3 MPa后,饱水状态蠕变速率有相对加速趋势,速率曲线随应力增大先往左下移动,再朝右上移动,而自然状态蠕变速率曲线总体向右上移动.最后,通过蠕变数据分析,推导γ=ασk型经验方程,对蠕变试验数据进行回归拟合,拟合结果证明该蠕变经验模型的正确性.金川矿区斜长角闪岩蠕变实验研究为分析深部巷道该类围岩流变稳定性及支护方案优化等提供有效帮助.     

基于分数阶微积分的岩石硬性结构面蠕变本构模型

结构面普遍存在于工程岩体中,影响工程安全。对含结构面岩体的蠕变特性及本构模型的研究对揭示岩质边坡蠕变机制及边坡失稳预测具有较大的意义。利用水泥砂浆制作非贯通硬性结构面试样,进行剪切蠕变试验,并对蠕变特性进行分析。将整数阶黏壶元件改进为分数阶微积分软体元件,并替换Kelvin模型中整数阶黏壶元件,同时引入能够模拟结构面加速蠕变过程的非线性黏性元件并将其非定常化,采用元件组合方式,构建基于分数阶微积分的岩石硬性结构面蠕变本构模型。以非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面试样剪切蠕变试验数据为基础,分别对本构模型进行验证并对待定参数进行辨识。结果证明,试验值和预测值之间相关性程度R~2均较高,非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面相关性R~2分别达0.94和0.97,表明该模型能较好地模拟非贯通硬性结构面和贯通型硬性结构面岩体蠕变特性,对揭示岩质边坡蠕变机制和时效演化有重要意义。