基于分数阶导数的盐岩流变本构模型

盐岩流变特性的研究对诸多地下工程如战略能源储备、CO2封存、高放废物处置等具有十分重要的意义.本文从分数阶导数出发,在常黏性系数Abel黏壶基础上,提出了一种新的变黏性系数的Abel黏壶元件.通过将分数阶Abel黏壶代替经典西原模型中Newton黏壶的方法,构建了基于分数阶导数的盐岩流变本构模型,并给出了流变本构模型的解析解.论文进一步应用程控流变仪进行了湖北江汉油田王储1井盐岩试件的单轴流变实验,基于盐岩流变实验数据,对分阶导数流变本构模型的参数进行了拟合分析,确定了模型中的参数.论文还进行了分数阶流变模型中的参数敏感性分析,揭示了应力水平、分数阶导数阶数、黏性系数对流变应变的影响规律,并验证了分数阶流变本构模型在特殊条件下可退化为经典西原模型.研究发现,本文提出的分数阶流变本构模型可以更好反映盐岩流变的三阶段尤其是加速流变阶段.     

一种岩石的损伤流变模型

根据石膏角砾岩的蠕变特性,建立了石膏角砾岩的粘弹塑性流变组合模型;在此基础上,采用统计损伤理论,并考虑了损伤门槛的影响,建立了考虑损伤门槛的统计损伤本构方程;根据应变等效原理,建立了石膏角砾岩的损伤流变模型。通过试验验证,理论计算结果与石膏角砾岩蠕变试验结果吻合较好,表明所提出的损伤流变模型可以较好的描述石膏角砾岩的非线性流变。     

一种新的混凝土受拉本构模型

混凝土单轴受拉应力-应变曲线存在形式多样且不统一.根据等效应变假设和损伤力学基本原理,建立了单轴受拉混凝土的弹塑性本构模型,可导出已有单轴受拉本构关系,并能反映混凝土的刚度退化和卸载后的残余变形;提出一类损伤函数和不可逆变形表达式,利用应力-应变曲线特征条件和优化算法确定模型参数;与已有受拉结果相比较,模型的预测结果良好。     

岩体节理非线性法向循环加载本构模型的改进

假定卸载曲线和重加载曲线在法向的起始刚度由前一次加载曲线和卸载曲线决定,从而完全确定岩体节理循环加载本构方程.对模型参数的不同取值,将已有的不同模型统一起来,通过卸载曲线渐近线内移的方式来反映滞回特性.将改进的节理弹性非线性法向变形本构模型拓展到循环加、卸载条件下,考虑节理面几何特性、充填物特性及岩石类型的复杂性,在将节理变形的非线性程度定量化描述的同时,修正以往模型对曲线形式做出硬性假定的方式.新模型的预测结果与试验结果吻合良好,验证了模型的可行性.     

干燥、潮湿合成盐岩流变细观机制的对比研究

针对盐岩流变细观机制的研究,对于合理建立本构模型、实验室尺度数据外推均具有重要意义。采用盐岩合成技术进行恒定应变率条件下的干燥盐岩流变实验,并对其细观结构进行了显微镜观测,同时借助于潮湿盐岩的研究成果作为对比,结果表明在晶界水的促进作用下,盐岩流变细观机制将会发生转化:干燥盐岩应力—应变曲线较为平缓,晶内存在波状滑移线、亚晶粒等细观特征,表明位错交叉滑移或位错攀移为流变主导机制;潮湿盐岩应力—应变曲线形状较为波动并存在晶界迁移等细观结构,动态重结晶机制将对流变产生重要作用;对干燥、潮湿盐岩的实验数据拟合分析表明,流变机制由位错流变向纯压溶转化。因此在盐构造地质演化、盐岩地下储库稳定性等研究过程中,要注意温度、应变率、应力水平、含水量等因素对流变应变率控制机制的影响。     

微波照射下花岗岩单轴压缩损伤本构模型

为深入研究微波照射花岗岩的损伤演化过程以及探讨微波照射过的花岗岩进行单轴压缩后花岗岩应力-应变关系,首先以微波照射花岗岩的损伤特性为基础,综合考虑花岗岩在微波照射以及荷载作用下受到的损伤,将Weibull分布与损伤力学结合,得到考虑多因素作用的花岗岩损伤演化方程。然后根据Lemaitre应力等效原理及Hook定律,推导出考虑微孔隙闭合的花岗岩损伤本构模型。最后,采用微波循环照射花岗岩试验和单轴压缩试验对模型进行验证。验证结果显示,本研究建立的本构模型与试验结果拟合的曲线能较好吻合,证明了模型的合理性及参数取值的正确性。为岩石微波损伤理论的研究以及微波辅助破岩提供思路。     

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.     

地震作用下大直径嵌岩单桩动力响应数值分析

以大直径嵌岩单桩为研究对象，对地震荷载作用时桩、土、岩的变形规律及桩基刚度进行分析，在有限元-无限元耦合数值模拟中引入土体非线性黏弹性本构模型与岩体损伤本构模型来描述桩周土、岩介质刚度随应变衰减的特性。数值模拟结果表明，大直径嵌岩单桩位移、加速度等动力响应，土体非线性滞回特性以及岩石损伤程度等显著受到桩基嵌岩深度、岩石风化程度和地震烈度等因素的影响，在设计时应深入分析。     

考虑初始弹模变化的混凝土动力损伤本构模型

混凝土的动力本构模型是混凝土结构动力分析的基础,混凝土的初始弹模变化对其动力本构有显著的影响。该文研究考虑初始弹模变化的混凝土动力损伤本构模型的建立方法。首先根据损伤理论建立了混凝土动力损伤与静力损伤之间的关系,并且考虑了动力损伤与静力损伤之间初始弹性模量的差异,进而建立了基于静力损伤本构理论的混凝土动力损伤本构方程。该方程可以考虑弹模变化和加载速率的变化对本构方程的影响。文中还利用现有实验结果进行了验证,表明该文建立的模型可以较好地反映混凝土的动力损伤特性。     

混凝土单轴受力损伤本构模型

为了建立一种新的单轴受力下混凝土损伤本构模型,应用损伤力学理论,假设混凝土卸载刚度与初始刚度的比值和混凝土卸载后剩余的弹性应变能与总应变能的比值在数值上是一致的,由此将弹性模量损伤和能量损伤结合为一体,通过数值方法可确定混凝土单轴受力损伤变量的具体数值.在已有不同强度等级混凝土单轴受力的应力一应变全曲线统一计算方法的基础上,通过数值积分和拟合回归,建立了单轴应力状态下混凝土损伤演变方程和损伤本构模型.结果表明:该模型可描述混凝土单轴循环加载受力状态下的力学特性,与混凝土单轴受力试验结果吻合较好;该研究成果可望进一步应用于反复加载下混凝土结构非线性有限元分析中.     

层状盐岩力学特性与蠕变机理研究

对层状盐岩力学特性进行实验与分析,获取相应的力学特征参数,是盐岩地下溶腔蠕变特性数值模拟的必要步骤,是数值计算中力学模型的组成要素。本文通过单轴压缩、三轴压缩和压缩蠕变等实验,获取层状盐岩短期强度特性和长期蠕变特性的力学特征参数,为盐岩蠕变模拟提供必要的参数支持。在此基础上,本文对层状盐岩蠕变机理进行分析,并将对盐岩蠕变率方程进行解析,为构建盐岩蠕变本构模型作铺垫。     

考虑蠕变损伤的Q_2黄土流变本构模型

根据Q2黄土的流变特征,其粘弹性特性可采用五元件广义的Kelvin模型来描述,其线性粘塑性特性可用与一滑块并联的Maxwell模型来描述,而非线性粘塑性特性,可通过损伤与塑性应变的耦合作用来反映。在考虑黄土瞬时损伤、蠕变损伤及黄土粘弹塑性组合模型的基础上,应用应变等效原理,建立了蠕变损伤流变本构模型,并通过拟牛顿法确定了相应的模型参数。该模型能够较好地描述黄土的加速蠕变过程,具参数少、适用性广的特点。     

混凝土结构的静力和动力损伤非线性分析

首先简要介绍混凝土统一弹塑性损伤本构模型,该模型能够直接在材料本构层次考虑阻尼的影响, 同时又可以较好地描述混凝土材料刚度退化、强度软化、有侧限时受压强度提高、双轴拉压软化效应、卸载 后存在的不可恢复变形、单边效应等静力非线性行为以及应变率效应等动力非线性特性．利用上述模型, 分别对混凝土材料试验、钢筋混凝土剪力墙以及Koyna混凝土重力坝进行了静力和动力非线性分析．分析 结果表明,建议模型可以应用于大型(钢筋)混凝土结构非线性分析,除了能够提供荷载作用下的常规结构 反应外,还可以实时地提供结构损伤分布及其演化信息．     

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．     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.     

岩石的非线性流变损伤模型及其应用研究

文章从损伤角度研究岩石在拉压作用下变形破坏的非线性特性,基于割线模量法定义损伤变量,建立岩石非线性流变损伤本构方程,并通过拉伸模拟计算及边坡损伤计算分析验证损伤模型。     

细片层状微结构珠光体材料损伤本构关系

基于非经典塑性理论和连续介质损伤力学,在已有的具有细片层状微观结构珠光体团的弹塑性本构方程的基础上,采用Gurson模型考虑铁素体相的孔洞型损伤,建立了基于有限大椭球体中含椭球形孔洞的细观损伤模型,得出了混合强化材料的损伤演化率,将其嵌入铁素体相的本构描述,得到了珠光体团的损伤本构模型.进而采用Hill自洽方法,得到了珠光体材料的宏观损伤本构描述,发展了相应的数值方法与程序.对典型珠光体双相材料BS11在复杂加载史下的响应特性进行了分析,并对BS11在典型轮轨接触摩擦应力状态下的响应特性与损伤进行了分析.文中工作对于揭示珠光体材料损伤宏观响应特性的微结构机理,以及发展此类复相材料的损伤本构理论具有重要的意义,并具有重要的工程应用背景.     

岩体结构面三维循环加载本构关系

研究岩体结构面在循环加载条件下的三维力学性质。通过对二维数值模型合理推广,建立三维本构模型。法向加卸载本构为逐步硬化的双曲线函数。切向模型基于加载为双曲线函数、卸载为线性函数的本构方程建立,并引入剪切方向角描述三维切向接触特性。考虑峰值剪切现象,以切向塑性功为主要参数,建立峰值摩擦角和剪胀角的磨损方程。以初始剪胀角和残余剪胀角为主要参数建立剪胀方程。数值计算结果与试验曲线的对比表明,该模型体现了各向异性结构面的非线性受力变形特性、表面磨损和不均匀剪胀行为,能较好模拟三维循环加载本构关系。     

考虑侧应力松弛的软土流变试验及模型参数求解

土体粘弹性本构模型参数的确定是研究土的流变特性的关键.采用考虑侧应力松弛效应的三元件粘弹性本构模型,经拉普拉斯变换和反变换得到了侧限压缩状态下土体的竖向应变和侧向应力的解析解;以试验数据点与拟合曲线点的相对误差平方的平均值作为评价试算拟合的标准,模型参数可根据竖向应变-时间和侧向应力-时间试验数据拟合确定.实例分析表明...     

上海临港砂质粉土硬化土小应变模型参数研究

硬化土小应变模型(HSS模型)考虑了土体在小应变区域内刚度随应变的非线性变化,是土工数值分析中应用较为广泛的软土本构模型之一。上海地区软土的特性研究已取得了较为丰富的成果,但关于浅层砂质粉土的研究还不够全面。通过三轴固结排水剪切试验,三轴固结加卸载试验,固结试验以及共振柱试验,获得上海临港地区浅层砂质粉土的硬化土小应变本构模型的试验参数,包括土体的初始剪切模量、土体强度参数和加卸载模量等。将试验结果与已有文献的相关数据进行对比分析,试验结果可为上海地区浅层砂质粉土的深基坑工程数值分析提供参考数据,具有工程参考价值。