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.     

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。     

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。     

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...     

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.     

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.     

考虑节理影响的岩体非线性流变模型

为研究节理岩体蠕变全过程,引入非线性黏性元件和节理裂隙塑性体,并将其与传统的伯格斯模型串联,得到一种新的复合流变模型。推导该模型一维和三维蠕变本构方程,并运用该复合模型及传统伯格斯模型分别对岩石试样蠕变实验全过程曲线进行辨识,得到模型的各项蠕变参数。研究结果表明:复合流变模型对试验数据的拟合结果明显优于传统伯格斯模型的拟合结果。该模型不仅能充分反映岩石试样的初期蠕变和稳定蠕变过程,而且能很好地描述加速蠕变过程,同时又能体现节理裂隙对蠕变的影响。     

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。     

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。     

红层泥岩剪切蠕变特性及非定常本构模型研究

滇中红层泥岩具有显著的流变特性，会给当地工程建设带来安全隐患。选取狮子山隧洞段的红层泥岩进行分级加载蠕变试验，对其蠕变特性开展研究。结果表明，在较低应力状态下，岩样主要表现为衰减蠕变，而在较高应力状态下，岩样将发生从衰减蠕变、等速蠕变直至加速蠕变破坏的全过程蠕变。对岩样各阶段变形数据进行回归分析，建立拟合方程，发现岩样各阶段变形具有显著的非线性变形特性。根据岩样的非线性变形特性提出了1个指数型加速元件，通过与Bingham体中的黏性元件串联形成改进的Bingham体，使其能克服传统Bingham体模拟加速阶段存在的不足，并同时对Hoek体及Kelvin体进行非线性改进，然后通过将非线性Hoek体、Kelvin体与改进Bingham体串联，建立了1个能够描述滇中红层泥岩蠕变特性的非线性、非定常黏弹塑性岩石蠕变模型。通过与不同剪应力下红层泥岩的蠕变试验曲线进行比较，发现理论模型得到的结果与试验数据吻合较好，表明所建模型对于滇中红层泥岩具有较好的适用性。     

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.     

豫南燕山期花岗岩蠕变特性及非线性蠕变损伤模型

豫南信阳地区燕山期高钾钙碱性 I型花岗岩分布广泛,岩石性质对深埋地下洞室围岩开挖及支护设计具有重要影响。以豫南某大型水电站地下厂房区花岗岩为研究对象,在对其地质分布情况及矿物成分调查测试基础上,进行三轴压缩蠕变试验,揭示了围岩蠕变特性及加载过程中的损伤演化性质,采用等时曲线法进行花岗岩蠕变长期强度分析。考虑蠕变过程中岩石发生的损伤累积,建立变黏性系数的黏壶元件,并代替传统西原正夫模型中Newton黏壶,构建了能够描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型。研究结果表明：在整个蠕变过程中,花岗岩的总变形量以瞬时弹性变形为主,最终的蠕变破坏表现出脆性剪切破坏的特征;围压对剪切裂缝的扩展具有主要抑制作用;长期强度随围压增大而减小,与常规三轴试验结果相比,长期强度分别下降6.37%和21.0%;采用Levenberg-Marquardt优化算法+通用全局优化算法对非线性蠕变损伤模型进行参数辨识及拟合,理论值与试验值吻合较好,验证了非线性蠕变损伤模型对于岩石全过程蠕变特征描述的合理性及适用性。研究成果对保障豫南燕山期花岗岩地区的工程建设优化设计和安全建设具有重要意义。     

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。     

砂岩蠕变特性试验及三维非线性力学模型研究

为了描述岩石的蠕变力学行为,开展不同围压条件下的砂岩三轴压缩蠕变试验。研究表明：岩石稳定蠕变阶段是岩石微裂纹不断发育和扩展的过程,稳态蠕变速率与围压呈幂函数增长关系;砂岩在围压5 MPa、10 MPa和15 MPa下的长期强度分别为19.8 MPa、22.3 MPa和24.7 MPa,长期强度随围压的增强而递增。基于岩石蠕变的非线性特征,定义了一个与围压相关的黏弹性模量E（p）,经过推导变换得到了可反映岩石蠕变受时间和围压影响的E（p,t）,应用于改进后的Burgers模型,从而得到新的一维蠕变本构模型。将其拓展到三维应力状态,得到新的三维非线性力学模型,识别蠕变试验数据,对比分析预测效果,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为岩石三维应力状态下蠕变行为模拟提供一定参考。     

隧道支护结构蠕变特性试验和非线性蠕变模拟

采用MTS815液压伺服系统对深埋隧道支护结构混凝土试件进行了三轴蠕变试验,分析了支护结构的蠕变特性,依据蠕变曲线特征求出了非线性蠕变参数。建立了考虑深埋隧道施工过程、围岩和支护结构蠕变特性的有限元数值分析模型,分析了围岩和支护结构的蠕变特性,得到了隧道初期支护和二次衬砌的位移特征及其不同位置处的有效应力和最大剪应力特征。隧道支护结构的位移、应力随时间的变化特征与不考虑蠕变效应有较明显的不同,计算位移与实际监测结果基本一致。对于深埋隧道,应该考虑围岩和支护结构的蠕变特性。     

软岩的非线性蠕变模型及其稳定性分析

为了更明确地描述软岩蠕变过程与稳定性的对应关系；采用微分方程描述方法，建立了软岩全程应力应变过程中的非线性蠕变模型，分析了软岩的蠕变过程和对应阶段的稳定性，讨论了蠕变过程中模型参数的变化规律及其对应的稳定性；在不同的应力水平下，对应不同的蠕变过程。广义弹性摸量小于零时，对应第三阶段蠕变。在第二、三阶段蠕变，系统状态均是非稳定的。利用软岩在第三阶段蠕变的对应加速蠕变特性，可为预测、预报系统的失稳现象提供理论依据。     

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。