软土蠕变特性室内试验研究

为了研究杭甬高速铁路所经过地区的软黏土蠕变特性,利用改进的三轴蠕变仪,进行不同围压下三轴固结不排水蠕变试验.试验结果表明:该海相软土具有显著的非线性蠕变特性,偏应力水平越高,非线性程度越大;不同围压下软土的屈服应力不同,当应力水平低于屈服应力时,软黏土蠕变特性表现为线性黏弹性;当应力水平高于屈服应力时,软黏土的蠕变性状表现出显著的非线性黏塑性.故该软黏土的蠕变同时具有弹性、黏弹性及黏塑性特征,可将所研究的软黏土视为弹-黏弹-黏塑性体.     

湖相软土单轴蠕变特性及其模型研究

通过长期单轴蠕变试验,获得了湖相软土在不同应力水平下的应力-应变-时间的关系曲线,据此研究该软土的蠕变变形特性;在此基础上,利用非线性牛顿黏壶代替广义西原模型中的线性牛顿黏壶,将其从一维泛化到三维应力空间,建立了改进广义西原模型;利用曲线拟合法确定蠕变模型参数,并对该模型进行数值模拟验证。结果表明：软土在加载的瞬时均有一定的瞬时变形,然后随时间的延长,变形也明显增加;当应力水平低于50 kPa时,土体蠕变变形以衰减蠕变为主,处于黏弹性阶段;当应力水平高于50 kPa时,土体出现了衰减蠕变和稳定蠕变,呈塑性,并进入黏塑性阶段;由于环刀的侧限作用,软土土样未出现加速蠕变;改进广义西原模型具有非线性,由其计算所得的理论曲线能较好地与实测的蠕变试验曲线相吻合。     

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。     

离子型稀土矿体蠕变特性及模型研究

为研究离子型稀土矿体蠕变特性,基于GDS三轴试验系统,对原状矿样进行不同围压和含水率下的三轴蠕变试验。结果发现:偏应力水平不超过50%,矿样主要发生衰减蠕变变形,且以瞬时弹性变形为主,蠕变变形量很小,矿样处于稳定状态。当偏应力水平达到70%,矿样发生非稳定蠕变,在经历减速蠕变和等速蠕变后,变形迅速发展,矿样在短时间内破坏。围压和含水率对离子型稀土矿体在加速蠕变阶段的变形特性影响显著,围压越小,矿样越早进入加速蠕变阶段,发生破坏的时间越短;含水率越大,矿样破坏时变形量越大,强度降低越明显。基于蠕变试验数据,分别探讨Burgers模型、西原正夫模型以及幂函数模型的适用性;并且在Burgers模型基础上引入非线性黏滞元件,建立一种新的非线性黏弹塑性模型。该模型能较好描述离子型稀土矿体蠕变全过程。     

高塑性土蠕变破坏的新模型

提出一个新的表征高塑性土蠕变破坏的模型。基于常规三轴试验得到土的归一化特征曲线和三轴蠕变试验得到n值应力水平曲线后,可以预测任何应力水平下的蠕变破坏时间;并得出如下结论:土体存在一条归一化特征曲线来表征其直到峰值应力前的应力应变行为,该曲线能辅助确认蠕变试验中的峰值应力和临界应变;模型在双对数轴上是一条直线,其斜率为n值;且不同应力水平下n值基本相同,n值可被认为是土的黏土指标;任何应力水平下土体都可能蠕变破坏,只是所需的时间长短不同,土体蠕变破坏的依据是蠕变累积应变超过临界应变。     

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.     

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。     

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。     

海陆交互相黏性土蠕变试验与经验模型研究

海陆交互相沉积土是在复杂的沉积环境下形成的,其力学性质与其他沉积土有所区别.针对大连海陆交互相黏性土原状样,采用三轴排水蠕变试验对黏性土的蠕变特性进行了研究,分析了轴向应变、体应变、轴向应变速率与蠕变时间、偏应力间的关系.基于蠕变试验结果,耦合Mesri模型与三次多项式,建立了可以描述土体衰减蠕变与加速蠕变过程的经验模型.结果表明,该地区土体具有典型的非线性蠕变特性,随着偏应力的增加,非线性蠕变特性愈加明显.在低偏应力作用下,蠕变过程表现出衰减蠕变与剪缩特性;在破坏偏应力下表现出加速蠕变与剪缩、剪胀交替特性.轴向应变速率随着蠕变时间的增加而减小,随着偏应力的增大而增大,而偏应力对m值(曲线斜率)的影响较小.试验结果与模型计算结果吻合较好,表明新建模型适用于描述该地区海陆交互相黏性土的蠕变特性.     

一种软岩流变模型

为了描述工程软岩的复杂流变特性,提出了2种非线性元件——蠕变体(CYJ体)和裂隙塑性体(L体).并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体(K体)、描述瞬弹性的虎克体(H体)及圣文南体(S体)相结合,得到了一种新的复合流变力学模型,并推导了其流变本构方程;讨论了该复合模型在恒应力条件下的蠕变特性及恒加载速率下的流变效应.研究结果表明:该模型不但能描述软岩在低应力时的弹性和粘弹性(稳定蠕变),而且能描述软岩在较高应力时的弹性、塑性、粘弹性和粘塑性(不稳定蠕变).     

硬脆岩的非线性粘弹塑性流变模型

为了构建适合于硬脆岩的流变模型,通过对Bingham体中的线性粘滞体进行修正,使其粘滞系数转换为时间、应力的衰减函数,将修正的Bingham体与六元件线性粘弹性流变模型组合得到可反映加速蠕变的非线性粘弹塑性流变模型,并采用锦屏一级水电站工程左岸边坡砂板岩的蠕变试验曲线对所建立的非线性粘弹塑性流变模型进行验证.研究结果表明:当采用非线性粘弹塑性流变模型对试验曲线进行拟合时,试验曲线与理论曲线吻合得比较理想,显示了所建模型的正确性和合理性.     

考虑黏聚力与内摩擦系数的岩石黏弹塑性流变模型

基于在岩石剪切流变仪上得到的泥板岩剪切流变试验结果,采用库仑强度准则获得了岩石长期强度参数(长期黏聚力和长期内摩擦系数),与瞬时强度参数进行对比,结果表明,岩石黏聚力对时间的敏感程度高于内摩擦系数对时间的敏感程度.提出了一个考虑黏聚力和内摩擦系数随时间变化的塑性元件,将其与线性黏性元件并联起来,得到一个新的考虑黏聚力和内摩擦系数的非线性黏塑性体(CF-NVPB),同时将CF-NVPB模型与三元件线性黏弹性流变模型串联起来,建立了一个新的考虑黏聚力和内摩擦系数的岩石非线性黏弹塑性流变模型,并推导了该非线性流变模型的蠕变方程与松弛方程.     

路用红砂岩粗粒土的流变特性试验研究

为了研究红砂岩粗粒土高速公路路堤填料的流变工程性质,利用大型三轴流变试验仪对路用的90区和93区红砂岩粗粒土进行低应力状态(σ3=100,200和300 kPa)的三轴流变试验,研究红砂岩粗粒土在低应力下的流变规律以及应力状态对体积流变分量和剪切流变分量的影响。引入Morgan-Mercer-Florin核函数,建立描述红砂岩粗粒土的体积流变分量-时间的关系和剪切流变分量-时间关系模型,提出红砂岩粗粒土最终体积流变量和最终剪切流变量公式。最后,建立一个基于Morgan-Mercer-Florin函数新的红砂岩粗粒土流变本构模型,确定压实度为90％和93％的红砂岩粗粒土的流变模型参数,并将Morgan-Mercer-Florin模型嵌入椭圆-抛物线双屈服面弹塑性本构模型,用于描述红砂岩粗粒土的粘弹塑性性质。流变试验结果表明:球应力(p)对最终体积流变分量影响很大,应力水平(S)对最终剪切流变分量影响显著,最终体积流变量和最终剪切流变分量可以分别用p和S表示。     

岩体裂隙中宾汉姆流体渗流模型

为研究粗糙单裂隙中宾汉姆流体的渗流规律，提出了描述岩体裂隙中宾汉姆流体黏性和黏惯性流动的渗流模型，并采用数值模拟和室内试验结果对模型进行了验证.在粗糙裂隙中，开展了不同流变参数的宾汉姆流体在大范围压力梯度下的渗流模拟，结合修正的Forchheimer方程分析了宾汉姆流体在不同裂隙几何参数及流变参数下的非达西系数β、临界雷诺数Re_○c、非达西效应因子E等变化特性.结果表明:由宾汉姆流体本构方程推导出的黏性模型能更好地描述黏性渗流.修正的Forchheimer方程能更好地描述宾汉姆流体在粗糙裂隙中的黏惯性渗流特征.粗糙度及流变参数会对渗流特性产生显著影响:裂隙粗糙度越大，浆液屈服应力越大;浆液塑性黏度越大，惯性作用越强.     

非饱和土蠕变力学特性试验及分段模拟

水电工程中库岸边坡流变效应显著,以库岸边坡非饱和粉质黏土为例,描述其蠕变力学行为,开展基质吸力控制条件下的三轴压缩固结排水蠕变试验。试验表明:①非饱和粉质黏土在不同应力水平下蠕变曲线形态较为相似,在同一应力水平下,土样的瞬时应变都大于蠕变应变;②随着应力水平的提升,土样的瞬时应变和蠕变应变都呈递增趋势,且瞬时应变的增长幅度大于蠕变应变;③在不同基质吸力条件下,非饱和等时偏应力-应变关系均表现出较为明显的非线性特征。基于试验成果,分析粉质黏土蠕变变形特点,提出分段模拟的思路来描述瞬时应变和蠕变应变,分别构建考虑基质吸力的弹性体和分数阶黏滞体,由此建立可考虑基质吸力的非饱和粉质黏土蠕变本构模型。通过所建模型对本文和相关文献中非饱和粉质黏土蠕变数据进行辨识,对比分析试验曲线和预测曲线,证明所建模型的合理性和适用性。研究成果为库岸边坡长期稳定性研究提供一定参考。     

地基土非线性流变特性试验与归一化模型研究

通过对湖南地区两种典型黏性土,即深黄色粉质黏土与浅紫色粉质黏土进行室内单剪循环加卸载蠕变试验研究,发现当应力水平大于屈服极限时,两种黏性土均具有明显的非线性蠕变特性与体积蠕变特性;并对两种黏性土进行非线性流变特性分析,在此基础之上,建立了统一的本构模型.通过模型检验证明其效果良好.图4,表2,参6.     

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。     

一种改进的岩石黏弹塑性加速蠕变力学模型

为了全面描述岩石蠕变全过程,克服线性牛顿体不能准确描述加速蠕变的不足,在引入非线性蠕变体模型基础上,结合流变力学模型理论,定义应力与试件长期强度的比值为加速蠕变速率幂级数n,模型发生加速蠕变时的总蠕变量为蠕变特征长度εc,进而得到一种改进的能够描述岩石黏弹塑性加速蠕变的力学模型。结合东乡铜矿砂质页岩单轴压缩下分级增量循环加卸载蠕变试验,对模型参数的辨识进行解释,并将该模型的蠕变拟合曲线与实验的蠕变曲线进行对比。研究结果表明:该模型能很好地描述了岩石的加速蠕变特性。     

软土流变特性的室内试验与改进的西原模型

详尽描述了软土流变特性的室内直剪实验方法,探讨了实验中需特别注意的加载方法、试样保存以及试验数据读取等一些重要问题,通过对现有流变模型的分析及结合室内直剪蠕变试验结果,用非线性牛顿体替代线性牛顿体,从而对西原正夫模型进行了改进,并导出了改进后模型的本构方程．最后,采用本文改进模型对实验结果进行了非线性分析,获得了相应的实验拟合曲线及模型的参数值,结果表明,理论计算与实测结果吻合良好．