基于细观力学方法的冻土本构模型研究

从复合材料的细观力学机理出发研究冻土的材料特性,用混合律方法得到了冻土材料的等效弹性常数,并利用这些弹性常数建立了含损伤的冻土弹性本构模型.对于在不同冰体积含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较吻合,表明该模型能够较好地描述实际冻土材料的力学特性.     

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.     

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。     

引入三维接触单元模拟冻土与桩共同工作

运用虚位移原理推导出三维非线性接触单元的等效单元刚度一约束矩阵;通过建立冻土地基的热弹塑性-蠕变增量应力应变关系及几何方程得出冻土地基的热弹塑性-蠕变单元平衡方程。根据桩土共同作用的工作特性,通过引入非线性接触单元将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模式与混凝土桩联系起来,建立了冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型,通过模型计算结果与实测比较表明,该计算模型能较好地体现桩冻土共同工作性能。     

基于应力和时间双重影响下岩石蠕变模型研究

为了更好地描述岩石蠕变的全过程和表征加速蠕变阶段的变形特性,研究岩石蠕变力学机理并引入弹塑性损伤体,改进广义开尔文蠕变模型,进而构建1个可反映岩石加速蠕变变形特征的弹塑性损伤体蠕变模型,并提出一种确定蠕变模型参数的方法;通过室内三轴蠕变试验计算出不同时间和应力作用下的蠕变参数,分析不同应力作用下蠕变参数与时间关系,揭示蠕变参数劣化的实质和岩石蠕变变形破坏的机理。研究结果表明:当岩石的体积压缩状态转化为扩容状态后,体积模量的绝对值随蠕变应力增大而减小,且随应力水平增大以及时间推移,岩石的蠕变扩容效果越来越明显;而损伤影响程度系数反映了在蠕变变形过程中岩石内部损伤程度,当损伤影响程度系数增大时,岩石内部的损伤程度以及岩石的加速蠕变变形也越大;通过分析蠕变参数在时间作用下劣化规律,验证了该方法是合适可行的,且建立考虑应力和时间双重影响的蠕变模型,也较好地模拟了岩石从衰减蠕变到加速蠕变的变形全过程,同时更加准确地反映了岩石的衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性。     

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...     

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。     

基于损伤的冻土本构模型及水、热、力三场耦合数值模拟研究

从材料的细观力学机理出发,建立了含损伤的冻土弹性本构模型．对于不同温度和冰体积含量下的冻结砂土,由该模型计算的结果与实测的应力-应变曲线较吻合,建立的冻土损伤本构模型能够较好地描述实际冻土材料的力学性质．利用自行开发的有限元程序,加入所推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场进行数值模拟计算,得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果,与前人的计算及实测结果相吻合,规律一致．算例表明该程序能够计算冻土材料的相关物理量,且能很好地描述它们之间的关系．研究在前人的工作基础上,结合青藏铁路路基工程,通过对冻土水、热、力三场耦合机理这一固体力学学科领域的难点问题研究,为冻土工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据、分析模型及必要的参考．     

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.     

三轴压缩下红砂岩峰后蠕变力学特性试验

为研究岩石峰后蠕变力学特性,利用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,对红砂岩进行三轴压缩下峰后蠕变试验.分析了红砂岩峰后蠕变特征,估算了红砂岩峰后长期强度,采用改进的西原模型对峰后蠕变特性进行了描述,确定了模型参数.结果表明:红砂岩峰后蠕变破坏应力下并不直接进入加速蠕变阶段,而是由等速蠕变阶段逐渐向加速蠕变阶段转化.红砂岩峰后蠕变变形主要集中于加速蠕变阶段,加速蠕变阶段短时间内蠕变的剧烈变形是岩石失稳破坏的重要原因.随着荷载的加大,岩样的破坏形态由单一的剪切破坏与裂纹扩展等破坏形式逐渐向多剪切破坏演化,破坏块体增多,岩样更加破碎.本次试验红砂岩峰后长期强度仅为其峰值强度的42.56%,长期强度折减量较大.红砂岩峰后蠕变特性可用改进的西原模型进行描述,各级应力水平下模型曲线与试验曲线拟合较好.研究结果为深部工程围岩峰后流变力学特性研究提供了一定的参考意义.     

蠕变局部损伤开裂的有限元模型

建立了蠕变局部损伤法模型,并给出单元进入损伤态的判据和失效的临界拉伸应变条件,局部蠕变损伤理论的实质就是试样是多种不同蠕变性能材料的统一,并由蠕变应力再分布得到证实,应用有限元对双缺口圆试样作了蠕变局部损伤分析,启裂时间和断裂蠕变应变值均与实验结果相吻合。     

轴拉荷载下混凝土徐变性能的研究

用轴心受拉混凝土试件,在标准条件下养护一个月后,进行了不同应力水平下轴心受拉徐变破坏试验,观测了混凝土在不同应力水平下的轴拉徐谈变形过程,通过分析得到了对应于不同轴拉应力水平时的混凝土的徐变变形规律,当持荷应力高于徐变长期强度时,混凝土地持续拉伸荷载作用下的徐变变形随时间的增长不断增加,直至发生徐变破坏,这类徐变变形过程一般可以分为３个阶段（即徐变减速阶段、稳定徐变阶段和徐变加速阶段）、根据试验结     

基于蠕变试验的冻结红砂岩长期强度

人工冻结法以其独特的优势广泛应用于西部建井工程,因此研究岩石在冻结状态下强度特性尤其重要,基于冻结红砂岩蠕变试验,分别通过过渡蠕变法、等时应力-应变法、裂纹损伤应力法、稳态蠕变速率交点法得到冻结砂岩长期强度。结果表明：（1）通过过渡蠕变法可以得到冻结砂岩长期强度的取值范围,约为三轴压缩强度的45~65%左右;（2）体积应变等时曲线簇更加能够体现时间对岩石变形的关系,长期强度约为三轴压缩强度的48%左右;（3）稳态蠕变速率法能够较为简单的确定岩石长期强度,但因其方法本身具有一定的局限性,综合考虑三向蠕变速率,对其改进得到稳态蠕变速率交点法,可以更加精确反映砂岩强度,长期强度约为三轴压缩强度的49%左右;（4）引入裂纹体积应变计算方法,根据其与时间的关系得到裂纹体积应变等时曲线簇,得到的强度值与等时曲线法及其相近,因此裂纹损伤应力法也可作为确定岩石长期强度依据。将冻结红砂岩的长期强度作为监测冻结壁变形的标准,可为评价冻结壁蠕变诱发失稳破坏提供理论支撑和试验依据。     

非均匀地应力下蠕变地层套管的载荷分布

地层蠕变效应是引起套管损坏的主要原因之一,在非均匀地应力下,如何计算蠕变地层作用于套管上的最终稳定载荷是一个非常困难的问题.将套管看成弹性体,把地层视为无穷大的粘弹性体,建立了非均匀地应力条件下蠕变地层的开尔文模型本构方程,运用应力分析法和拉普拉斯变换法,求解出非均匀地应力条件下蠕变地层套管的载荷,并分析了套管载荷的分布.结果表明,当套管刚度较大时,经过足够长的时间,套管载荷趋于一个稳定的最大载荷分布,且其值接近于完全弹性解.     

混凝土徐变损伤演变方程及其在非线性徐变理论中的应用

本文运用连续介质损伤力学的基本方法分析混凝土在高应力下的非线性徐变,根据混凝土徐变过程中内部微裂缝的细观分析,建立了徐变损伤演变方程,同时得到弹性徐变耦合损伤后的非线性徐变本构方程,用所得到的方程分析了在低于长期强度的应力作用下的长期徐变和应力水平高于长期强度时的徐变破坏,计算的结果和一维非线性徐变实验数据符合得较好。     

不同蠕变条件下耐热钢焊接件的空洞损伤演化

针对两种马氏体耐热钢焊接接头(F92/Co3W2和Co3W2/Co3W2)在105~250 MPa和873~948 K条件下开展蠕变拉伸测试,利用Larson-Miller参数法外推不同温度下焊接接头服役100 000 h寿命对应的蠕变断裂许用应力,研究其在不同蠕变条件下的空洞损伤规律. 随着外加应力的降低,两种焊件的断裂位置、断裂模式及断裂机制均发生了转变,从位于母材的穿晶塑性断裂变为细晶热影响区的沿晶脆性断裂(即Ⅳ型断裂). 针对断口区域的空洞损伤变化规律的研究表明：(1) 当断裂模式由塑性断裂转变为脆性断裂时,断口附近空洞会出现突变,塑形断口空洞“个头大数量少”而脆性断口空洞“个头小数量多”;(2) 在相同断裂模式下,随蠕变应力的减小,空洞按照“尺寸变大、数量密度增大及面积分数增大”的规律变化;(3) Ⅳ型断口处空洞存在合并链接现象,其方向与应力方向垂直.     

冻粘土三轴流变特性的神经网络预测

针对冻粘土特殊的物理力学性质，通过详细的冻粘土三轴应力条件下长期蠕变实验，讨论了温度，轴压，围压三种因素对冻粘土蠕变特性的影响，并利用人工神经网络（ANN）方法对冻粘土三轴流变特性进行了预测，建立了BP网络模型，预测结果与实验值吻合，因而具有一定的理论和实用价值。     

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。