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。     

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.     

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。     

岩石试件非线性蠕变模型及其参数确定

以改进的西原模型为基础，结合岩石的应力应变特征，对模型中的粘滞系数进行了改进，推导出的蠕变方程可描述岩石第三阶段的蠕变特性，同时对蠕变模型中的参数进行了确定；并运用MATLAB程序，结合实例作出改进蠕变方程的曲线及蠕变曲面并与通过实验所得曲线进行比较，改进的蠕变方程更能反映岩石的第三阶段蠕变变形。     

对改进西原模型的再认识

从岩石的物理变形机制出发,对改进西原模型的物理意义进行了理论探讨,得出改进西原模型蠕变变形机制是一个强化作用有限发挥、弱化作用累积的过程的结论.分析表明:改进西原模型能够描述简单应力状态下不同应力水平的岩石蠕变特性曲线,在同一应力水平下,可以用蠕变加速度作为判定模型的稳定性判据;将改进西原模型用于直剪蠕变试验,需考虑有效法向应力对长期强度极限的影响,用于三轴蠕变试验,需考虑长期强度极限与围压的关系;对于应变局部化问题,采用改进西原模型必须考虑黏性效应与其他正则化机制的耦合作用.     

基于颗粒流程序的非定常西原体模型

为实现岩石试样蠕变全过程的准确模拟,并从细观角度探究蠕变过程中微裂隙的发生和发展规律,在二维颗粒流程序(PFC2D)中开发出具有黏弹塑性特征的西原体流变接触本构模型,进一步提出包含两种非定常元件的非定常西原体模型,推导了模型本构关系和蠕变方程.在PFC2D中调用自定义西原体流变模型,通过参数调试,获得与真实试样具有相同强度特性的数值试样.以室内单轴压缩蠕变试验数据为基础,在Matlab中对模型非定常参数进行拟合反演分析.在此基础上,进行单轴压缩蠕变试验的模拟,计算过程中分别采用定常和非定常两种模型,并对微裂隙进行监测.对比分析结果表明:定常模型仅适用于衰减和稳定蠕变阶段;非定常模型也可用于描述加速蠕变阶段,从而准确模拟蠕变全过程;加速蠕变阶段主要是由微裂隙的加速发展而产生,加速蠕变将导致试样剪切破坏.     

甘肃天水泥岩压缩蠕变特性试验及模型研究

甘肃天水地区黄土-岩质滑坡和岩质滑坡分布面积较广,数量较多,且滑面多处于泥岩中。为了进一步探究软岩的蠕变特性,了解滑坡变形破坏的本质,采用YSJ—01—00岩石三轴压缩蠕变试验仪对天然状态下的甘肃天水泥岩进行了分级加载条件下的三轴压缩蠕变试验,得到了泥岩的蠕变全过程曲线、不同应力水平下的应变-时间曲线和长期强度。通过对其蠕变特性进行分析,提出了一种改进的西原模型和模型的破坏判据,并利用改进的西原模型对泥岩压缩蠕变曲线进行拟合,获得了泥岩的蠕变参数,推导出蠕变破坏的时间。分析结果表明,改进的西原模型能够较好地描述泥岩的蠕变规律,特别是加速蠕变阶段,这有利于滑坡临滑预报的研究,对甘肃地区黄土-岩质滑坡、岩质滑坡和其他软岩研究等具有重要的科研意义和工程意义。     

冻土蠕变模型在ABAQUS中的二次开发

为了使广义西原模型可以描述冻土的各个变形阶段,用非线性牛顿体替代线性牛顿体进行改进,采用类比的方法将冻土单轴应力状态下的本构方程推广到三维状态;在ABAQUS中利用二次开发平台,编写了改进广义西原模型的UMAT子程序,并在单轴、三轴蠕变条件下进行检验。单轴蠕变的数值解与解析解计算结果十分吻合,两淮地区深部冻结粘土三轴蠕变试验模拟值与实验值相符。表明改进的广义西原模型可以很好地描述冻土蠕变变形特征,包括加速蠕变阶段,UMAT子程序可以用于冻结法施工工程数值模拟。     

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。     

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蠕变曲线都能较好的模拟,模型参数可以表征岩石蠕变的非线性特征,可为蠕变模型的研究提供一定的参考。     

考虑损伤的岩石非线性蠕变模型

蠕变行为广泛地存在于岩石类材料中,并对岩体的稳定性有着重要的影响。因此,对岩石类材料的蠕变行为进行深入的研究是很有必要的。为了更好地揭示岩石的蠕变机制,结合分数微积分理论,建立了一个考虑损伤的蠕变模型。通过推导元件的蠕变方程,得到了整个模型的蠕变本构方程;并基于广义塑性力学理论对此方程进行了三维应力状态下的扩展。结合一系列的煤岩、泥岩和盐岩三轴蠕变实验,对此模型进行了验证。将此新模型的验证结果和西原正夫模型进行了对比研究。结果表明,此模型能够更好地模拟岩石蠕变的全过程,尤其是加速蠕变。     

含瓦斯煤岩三维蠕变模型与稳定性分析

研究含瓦斯煤岩的蠕变特性是认识煤矿井下煤与瓦斯延迟突出机理的重要手段.为确定含瓦斯煤岩的蠕变规律,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变试验装置,对含瓦斯煤样进行了系统的三轴蠕变试验.利用西原模型与能描述非牛顿流体的粘弹塑性体相结合,建立了改进的含瓦斯煤岩三维蠕变模型,并根据实验结果拟合出了模型的参数.根据含瓦斯煤岩在不同的载荷条件下的三维蠕变试验结果对蠕变模型进行了验证.结果表明,所提出的含瓦斯煤岩三维蠕变模型能很好地描述含瓦斯煤岩各蠕变阶段的变形特性,尤其是加速蠕变阶段.此外还根据微分方程解的稳定性理论,讨论了含瓦斯煤岩蠕变模型的失稳条件.     

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.     

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。     

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。     

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。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。     

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．