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。     

基于分数阶导数的软土非线性流变本构模型

基于分数阶导数理论构建了新的五元件非线性流变本构模型,给出了该模型的理论解,利用该模型对不同应力水平条件下的香港海相软土和上海淤泥质黏土的试验结果进行了拟合分析.研究结果表明,在低应力条件下,串联的变系数黏壶关闭,模型能够更加精确地描述软土的瞬时蠕变、衰减蠕变和稳态蠕变特性;在高应力条件下,变系数黏壶元件参与工作,模型能够较好地描述软土的加速蠕变特性.并且模型参数较少,确定方法简单,具有较为广泛的适用性.     

基于广义Kelvin模型的非定常盐岩蠕变模型

针对川东北油气田盐岩地层普遍出现的套损现象,对该地层段盐岩的蠕变特性进行研究。用非定常黏壶元件替换广义Kelvin模型中的线性黏壶元件,建立非定常广义Kelvin模型;将其与能够描述盐岩稳态蠕变特征的Heard模型进行串联,构建新的四元件NGKH盐岩非线性蠕变本构模型,可以描述盐岩的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段特征。基于室内三轴蠕变试验结果,利用Levenberg-Marquardt算法对NGKH模型蠕变参数进行识别。基于FLAC~(3D)的UDM接口程序,采用C++编程语言对其进行二次开发;并通过三轴蠕变试验的数值模拟对开发NGKH模型进行验证。研究结果表明:NGKH模型的拟合结果与室内试验结果吻合良好,该蠕变模型能够准确描述盐岩的非线性蠕变特性;通过黏弹性与非线性计算结果,验证了开发NGKH模型程序的正确性和合理性。     

周期冲击扰动下粉砂岩单轴蠕变特性研究

采用改进岩石蠕变扰动试验装置对粉砂岩试件开展施加周期冲击扰动下单轴蠕变试验,研究周期冲击扰动下粉砂岩蠕变变形、蠕变速率及破坏特征.结果表明:冲击扰动会引起蠕变曲线产生新的波动,随冲击扰动次数增加,粉砂岩内部累积变形逐渐增加,进入稳定阶段时间明显缩短,进入加速蠕变阶段轴向应力阈值显著降低;在周期扰动作用下,粉砂岩蠕变占比与轴向应力呈指数关系,蠕变速率稳定值提高;冲击扰动加速粉砂岩内部裂隙发育,粉砂岩试件破坏形式更趋于脆性破坏.基于Mohr-coulomb准则,提出一种与时间有关的非线性黏滞体并引入损伤因子改进Burgers模型,建立粉砂岩蠕变扰动理论模型;该模型能很好描述周期冲击扰动下粉砂岩蠕变特性,可为深入研究冲击扰动下岩石蠕变失稳破坏提供参考.     

软弱路基土体三轴蠕变试验及蠕变模型研究

采用相同面积置换率的微小砂桩模拟地基处理效果,对地基处理后路基土进行三轴蠕变试验。依据路基土三轴蠕变试验,提出一个基于双曲线函数核的黏塑性元件模型,描述路基土的非线性黏塑性蠕变特征。与Burges元件模型串联建立非线性黏弹塑性蠕变本构模型,将模型扩展到三维状态并确定模型参数。研究结果表明:应力水平是影响地基土蠕变变形的主要因素,应力水平S=0.6为路基土体线性黏弹性蠕变和非线性黏弹塑性蠕变的临界值,当S<0.6时,路基土体土表现出线性黏弹性蠕变特征;当S>0.6时,表现出非线性黏弹塑性蠕变特征。     

东梁煤矿非饱和砂岩黏弹塑性蠕变分析

为探讨非饱和砂岩的蠕变特征,利用TAW-2000电液伺服岩石三轴仪对阜新东梁煤矿砂岩进行了不同应力水平的三轴蠕变试验,用改进的流变模型来描述非饱和砂岩蠕变的全过程,并对改进黏弹塑性流变模型的参数进行了确定.研究结果表明:在低中等应力水平作用下,非饱和砂岩因受其成分、结构和水分等因素影响,蠕变变形不稳定,蠕变曲线呈现出不同程度的凹凸变化;在高应力水平作用下蠕变过程相对平稳且出现加速蠕变阶段.考虑非饱和砂岩蠕变具有弹性变形、塑性变形和粘性变形的性质,引入非线性黏壶元件改进了黏弹塑性蠕变模型,模型计算结果与试验结果的吻合度较好.     

基于扰动状态概念的颗粒材料应变局部化行为模拟

基于经典连续体的Duncan-Chang模型缺少用于表征材料破坏程度的参数及与应变局部化带宽相关的特征长度,且无法反映材料的软化特性.为此,基于扰动状态概念,引入Cosserat连续体理论作为正则化机制,以Duncan-Chang模型描述相对完整状态下材料的响应,以临界状态模型描述完全调整状态下材料的力学行为,并分别基于常规三轴试验曲线与体积应变阈值、形状改变能极限状态概念提出两种扰动因子演化方式.利用数值算例考察了扰动对材料承载力、应变局部化行为的影响.模拟结果表明:两种演化方式均能描述材料的软化特性,第二种方式在预测剪破角变化规律方面更为合理;所发展的扰动状态模型在模拟应变局部化问题时可以在一定程度上消除对有限元网格密度的敏感性.     

分数阶导数沥青胶浆低温黏弹性损伤蠕变模型

基于分数阶导数理论,建立了幂函数经验蠕变模型与分数阶导数Abel黏壶蠕变模型之间的关系,明确了幂函数各参数的物理意义.引入Weibull分布函数构建了新的分数阶导数幂函数经验黏弹性损伤蠕变模型.通过对粉胶比分别为0.82、1.02、1.22和1.42的沥青胶浆进行在-6℃、-12℃和-18℃温度条件下的弯曲梁流变试验,对新的损伤蠕变模型参数进行了辩识与比较分析.结果表明:新构建的分数阶导数幂函数经验黏弹性损伤蠕变模型能够更加精确地描述沥青胶浆在低温条件下的弯曲蠕变劲度曲线.     

软岩非定常分数阶导数流变模型研究

岩石流变特性的研究对边坡、隧道、核废料存储等工程具有十分重要的意义.本文基于分数阶导数理论,针对软岩稳态蠕变阶段具有明显的非线性特征,将应力水平对岩石非线性蠕变特性的影响引入Abel黏壶的本构关系中,提出了一种改进的Abel黏壶,建立了一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型,并推导了在恒应力状态下三维蠕变本构方程.论文进一步利用软岩流变试验数据对模型参数进行了拟合分析,模型能够较好的模拟软岩流变的全过程,验证了本文模型的正确性与合理性.     

考虑塑性变形的分数阶岩石蠕变损伤模型研究

目前较为经典的岩石蠕变模型元件都是线性的,虽然可以较好地模拟岩石蠕变的前两个阶段,但是却无法对岩石加速蠕变阶段进行模拟,且因为忽略了蠕变初期岩石压密产生的瞬时塑性变形,模型所反映出的瞬时变形小于真实值.本文引用了裂隙压密体元件描述岩石蠕变过程中的瞬时塑性变形,通过使Riemman-Liouville分数阶微积分算子理论构建分数阶黏滞体元件,同时考虑到岩石加速蠕变阶段的岩石损伤对黏滞体的黏滞系数的影响,使得构建的分数阶黏滞体元件可以反映岩石加速蠕变阶段.将裂隙压密体和考虑损伤的分数阶黏滞体与经典的Poyting-Thomson模型进行串联组合组成新的模型,推导了新模型的蠕变方程,最后,将模型的蠕变方程与相关文献中的蠕变试验曲线进行拟合确定模型参数,同时将理论蠕变曲线与蠕变试验曲线进行对比分析,结果表明了本文所建模型的正确性.     

沥青混合料永久变形的弹黏塑-损伤力学模型

对Burgers模型中串联黏壶进行了改进,并将改进模型看成是由三单元Van Der Poel模型与黏塑性元件串联组成.综合运用黏塑性力学和损伤力学理论,同时引入应变硬化变量和损伤软化变量,建立了基于应变硬化理论的沥青混合料损伤蠕变模型.再采用半正矢波间歇荷载模拟实际路面轮载作用,推导了重复荷载作用下沥青混合料永久变形的弹黏塑性损伤力学模型.根据室内重复荷载永久变形试验结果,运用最小二乘法原理,得到了弹黏塑性损伤力学模型的相关参数,并对该模型进行了验证.验证结果表明,该模型可以全面、统一地描述沥青混合料永久变形的三阶段特性.     

扰动状态概念方法的参数标定及应用初探

扰动状态概念为工程材料提供统一的本构关系模拟方法．当材料受荷时，其响应是由处于相对完整状态下和处于完全调节状态下的材料响应以一个加权函数组合起来，构成材料的真实响应．响应和扰动因子是相互关联的，需要用直接迭代法求解．解决工程问题时，可以选择简单的参考状态，并用拟合岩石单轴受压的全过程应力应变关系曲线确定扰动因子的参数．该方法在描述材料软化阶段时效果会更好．     

冻土蠕变的非线性模型研究

为了研究冻土的蠕变特性,在传统的伯格斯模型中引入一种考虑时间和应力水平影响的非线性黏滞体,代替与弹簧并联的理想牛顿流体,并在此基础上串联一个由非定常、非牛顿黏壶和塑性体并联的新的非线性黏塑性体,从而建立了新的非线性模型,并推到了三维应力状态。随后采用该模型借助Origin软件对冻土蠕变的试验数据进行拟合。结果表明:1该模型所拟合的曲线与试验数据吻合性较好,误差很小,而且适用于不同的温度。2该模型不仅可以很好地描述冻土蠕变的前两个阶段,而且对于加速阶段也适用,这对于高应力下的冻土蠕变分析很有意义。     

基于煤体三轴蠕变试验的非线性伯格斯模型

为解决传统伯格斯模型无法描述煤体加速蠕变的缺陷,利用RLW-500G煤岩三轴蠕变-渗流试验系统对原煤试样开展三轴压缩蠕变试验,分析了不同应力水平下煤样轴向应变随时间的变化规律。针对煤样加速蠕变过程中应变加速度与时间呈正比的关系,利用一个非线性黏-弹-塑性体来表示煤体加速蠕变特征,将其与伯格斯体进行串联得到一个改进的非线性伯格斯模型,推导得到该模型在三维状态下的蠕变方程表达式。利用原煤三轴压缩蠕变试验数据,采用模型辨识的方法对改进的非线性伯格斯模型进行验证,结果表明:拟合曲线与试验结果高度吻合,相关系数平方R~2均高于0.98,能够较好地反映出煤样非衰减蠕变过程中3个阶段的变化特征,拟合结果表明改进的非线性伯格斯模型具有较高适用性及优越性。     

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。     

岩石的弹塑性扰动状态本构模型

假定岩石的相对完整状态符合分级单屈服面(HISS)模型并考虑其各向同性硬化,岩石的完全调整状态对应于理想刚塑性,通过定义扰动函数,则岩石应力峰值后的软化行为可用HISS模型叠加扰动进行描述,从而建立基于扰动状态概念理论的岩石弹塑性本构模型.利用RMT-150B对焦作砂岩进行单轴、三轴压缩破坏试验,以确定本构模型中的材料参数.应用建立的弹塑性本构模型,对岩石在单轴应力状态下的力学响应进行了描述.研究结果表明,建立的弹塑性本构模型能描述单轴下岩石的应力-应变全过程.     

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。     

基于互层岩体的非定常黏弹塑性蠕变模型及有限元分析

为研究互层岩体在考虑时效变形作用时的蠕变特性，提出了一种考虑应力、应变阈值的非定常黏弹塑性五元件模型。该模型能够同时描述岩体的瞬时弹性应变、黏弹性蠕变、线性黏塑性蠕变和非线性黏塑性蠕变（加速蠕变），推导得出了其在三维应力状态下的蠕变方程；基于ABAQUS有限元软件完成了UMAT子程序的研发，并通过对比岩体的室内蠕变试验与该模型数值模拟结果来验证模型的适用性。结果表明：蠕变试验结果与数值计算结果相吻合，非定常黏弹塑性模型不仅可以精确描述减速蠕变和稳态蠕变过程，还可以较好地描述岩体的加速蠕变过程，从而验证了该模型的适用性与有效性。     

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。