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。     

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。     

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。     

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。     

基于分数阶导数的软土非线性流变本构模型

基于分数阶导数理论构建了新的五元件非线性流变本构模型,给出了该模型的理论解,利用该模型对不同应力水平条件下的香港海相软土和上海淤泥质黏土的试验结果进行了拟合分析.研究结果表明,在低应力条件下,串联的变系数黏壶关闭,模型能够更加精确地描述软土的瞬时蠕变、衰减蠕变和稳态蠕变特性;在高应力条件下,变系数黏壶元件参与工作,模型能够较好地描述软土的加速蠕变特性.并且模型参数较少,确定方法简单,具有较为广泛的适用性.     

分级加卸载下深部岩石流变实验及模型

以金川有色金属公司Ⅱ矿区深部岩石为研究对象,实验采用分级增量循环加卸载方式进行,根据蠕变实验所得的曲线,按照可恢复的瞬时弹性应变、滞后黏弹性应变、不可恢复的瞬时塑性应变与黏塑性应变进行数据分析,得出深部岩石的黏弹塑性的变形特性.在对数据进行深入的分析和对比后,引入改进的西原正夫模型来研究该深部岩石的黏弹塑性的变形特性.研究结果表明:改进的西原正夫模型的理论曲线与岩石实验所得的蠕变曲线能较好地吻合,说明该模型可以较好的模拟金川Ⅱ矿区深部岩石的蠕变变形特性.     

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.     

黏塑性蠕变模型中屈服强度的确定方法

在岩石蠕变特性试验中,当施加的常应力达到一定程度后岩石将发生黏塑性变形,一般用屈服强度判断岩石是否发生黏塑性变形,与弹塑性理论不同,在黏塑性蠕变模型中,屈服强度并不是定值,而是随蠕变时间增长逐渐减小,确定蠕变过程中准确的屈服强度对黏塑性变形计算有重要的影响.首先,通过等时曲线法确定岩石长期强度的过程,对屈服强度随时间的变化规律及确定方法进行研究,阐明瞬时屈服强度与长期强度的关系;其次,把岩石全应力-应变曲线与蠕变等时曲线相结合,有效判断蠕变变形中是否发生黏塑性变形及黏塑性发生的时刻,推导出屈服强度随时间变化情况下的广义宾汉姆模型,结合不同类型岩石的蠕变试验结果,分析采用长期强度代替瞬时屈服强度产生的差值;最后,给出用岩石时效强度进行岩土工程设计的思路.研究成果有助于在蠕变模型中正确使用屈服强度,对蠕变模型研究具有一定的积极意义.     

高围压高孔隙水压作用下岩石蠕变特性

对重庆某地深部砂岩进行高围压和高孔隙水压作用下分级加载蠕变试验。结果表明:加载初期的一较短时间内,孔隙水压力在一定程度上延缓轴向变形,随后整个加载过程表现为增强岩石轴向变形。相同围压下,有孔隙水压和无孔隙水压时岩石蠕变可能存在一个相同的应力强度比阀值,当应力强度比超过该阀值后便会出现加速蠕变破坏。选取三元件广义Kelvin模型描述高围压高孔隙水压作用下加载应力低于屈服应力σs时的岩石蠕变特性,效果较为理想。基于高围压高孔隙水压作用下砂岩加速蠕变试验曲线特性,采用拟合、类比的方法引入一个二元件黏塑性模型,将其与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的可以描述岩石加速蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。采用基于Quasi-Newton非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对高围压高孔隙水作用下岩石加速蠕变全过程曲线进行辨识,对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,验证非线性黏弹塑性模型的正确性。     

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。     

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.     

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。     

煤岩不同应力水平的蠕变及破坏特性

对韩城地区3#和5#煤岩在9 MPa围压下进行三轴蠕变试验,通过分级加载试验获取不同应力水平下煤岩的蠕变曲线。建立不同应力水平下煤岩的蠕变本构方程,并根据试验数据进行参数识别。结果表明:当3#和5#煤岩样的轴向应力分别小于其瞬时抗压强度的60%、40%时,蠕变曲线仅包含瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段,在等速蠕变阶段应变速率几乎为零;当3#和5#煤岩样的轴向应力分别介于其瞬时抗压强度的60%～80%、40%～80%时,等速蠕变阶段的应变速率近似为一常值;而当3#及5#煤岩样的轴向应力均为其瞬时抗压强度的80%以上,蠕变试验曲线分别表现出蠕变脆性破坏特性和蠕变韧-脆性破坏特性。     

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.     

含瓦斯煤岩流变特性研究

在打通煤样流变实验基础上，研究了含瓦斯煤岩在不同的孔隙压力下不同应力级别的变形与时间关系，提出的广义西原模型能考虑到煤岩体蠕变加速阶段的非等加速特性，真实描述煤岩体蠕变的全过程曲线，最后利用非线性回归方法一最小二乘法中的Marquardt法对实验结果进行了拟合，获取了煤岩的流变参数。理论分析结果和实验结果对比，两者之间有较好的吻合性。广义西原模型为使用电磁辐射法预测煤与瓦斯延迟突出提供了理论基础。     

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。     

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。     

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。     

粉砂质泥岩流变力学参数的试验研究

通过对粉砂质泥岩进行围压37 MPa下的常规三轴压缩试验和三轴压缩流变试验,获得应力-应变曲线和蠕变曲线,对其瞬时力学性质和流变力学性质进行了比较,分析了长期荷载对粉砂质泥岩力学参数的影响,并利用改进的西原模型对围压5 MPa下的蠕变试验曲线进行了模拟.结果表明,该粉砂质泥岩具有明显的时间效应,其强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角等力学性质指标在长期荷载作用下均有不同程度降低,其中强度指标表现得最为明显,长期荷载对黏聚力的影响较大,而对内摩擦角的影响较小;所采用的改进西原模型能够很好地反映该粉砂质泥岩的流变力学特性.     

排水条件下吹填软土蠕变特性

为深入了解排水条件下吹填软土的蠕变变形和黏滞特性变化规律,对沿海地区软土地基的长期沉降进行合理预测。以天津滨海吹填软土为研究对象,利用三轴流变仪开展一系列的蠕变试验,分析不同排水条件、围压、固结比和初始静偏应力对其蠕变变形的影响,并在此基础上探讨排水条件下黏滞系数的变化规律,构建相应预测模型,同时,利用试验数据对计算结果进行验证。最后给出排水条件下考虑围压和时间等因素吹填软土蠕变变形的预测公式,构建不同蠕变变形阶段黏滞系数的预测模型,并验证模型的可行性。研究结果表明：排水和增大围压、固结比均可有效弱化吹填软土的蠕变效应,初始静偏应力的影响则存在临界值,小于该值时,蠕变变形减小,反之,蠕变变形明显;排水蠕变过程中黏滞系数随围压和固结比的增大而增大,且在小偏应力作用时,呈指数增长趋势,大偏应力作用时,增长幅度近乎线性且速率缓慢,而随初始静偏应力的增大而近乎线性减小;不同蠕变变形阶段,黏滞系数的表现存在差异性,其中线性黏弹与线性黏塑阶段,黏滞系数仅为时间函数,而非线性黏塑阶段,黏滞系数同时为时间和应力函数。研究成果可为吹填软土场地施工提供参考。