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.     

板岩流变特性试验与模型辨识

针对江西武吉高速公路隧道的Ⅱ～Ⅴ级围岩,通过分级增量循环加卸载试验、剪切流变试验和双轴压缩流变试验研究围岩的流变特性,并对模型进行辨识.试验结果表明Ⅱ～Ⅳ级围岩具有过渡蠕变和定常蠕变过程,表现为脆性破坏;Ⅴ级围岩则具有过渡蠕变、定常蠕变和加速蠕变过程,表现为塑性破坏.通过模型辨识,采用广义Kelvin模型模拟Ⅱ～Ⅳ级围岩,采用非线性流变元件NRC模型与西原模型的串联模型模拟Ⅴ级围岩,可较好模拟围岩流变特性;同时得到与应力水平有关的围岩流变力学参数.模型辨识的方法可应用于板岩以外的其他岩石.     

岩石节理流变力学特性及其本构模型

通过对锦屏二级水电站大理岩节理进行剪切流变试验,分析了当剪切应力恒定、不同法向应力作用下的节理蠕变变形特性;根据传统的老化理论及遗传蠕变理论,提出了能够考虑法向应力影响的岩石节理剪切流变本构模型.最后,采用大理岩节理剪切流变试验数据确定了剪切流变模型的参数.将流变模型曲线和试验结果进行比较,结果表明该模型能够较好地描述不同法向应力和剪切应力作用下节理蠕变的变形规律.     

基于改进PSO算法的岩石蠕变模型参数辨识

微粒群优化(PSO)算法是一类随机全局优化技术,具有收敛速度快、规则简单、易于实现的优点.针对岩石蠕变本构模型参数的辨识问题,本文利用FLAC软件自带的fish语言实现了改进PSO算法对本构模型参数的辨识.该方法从岩石本构模型参数的随机值出发,以蠕变过程中试件变形的实验值与计算值的误差大小作为适应度函数来评价参数的品质,利用改进PSO算法规则实现模型参数的进化,搜索出全局最优的模型参数值,从而实现了岩石蠕变本构模型参数的自适应辨识.利用该方法对页岩蠕变实验进行了仿真研究,实验结果表明:改进的PSO算法用于岩石蠕变模型的参数辨识是有效的.     

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。     

一种岩石非线性流变模型

岩石是一种复杂的工程介质,具有明显的非均质性、不连续性及各向异性等特点,其宏观流变表现为非线性流变变形.通过岩石非线性流变变形是时间的Weibull分布函数的假定,提出了一个新的非线性流变元件(NRC模型);通过NRC模型与西原模型的串联,建立了能够描述加速流变特性的岩石非线性流变模型(NRM);利用盐岩单轴压缩流变试验曲线对建立的岩石非线性流变模型进行辨识,获得了岩石非线性流变参数.岩石非线性流变模型与试验结果的比较,显示了所建非线性流变模型的正确性与合理性.     

蠕变试验中流变模型辨识及参数确定

对岩石流变性态作了全面分析，提出了能描述岩石最复杂流变性态的流变模型，介绍了用不同应力水平下的蠕变试验加载卸载曲线辨识各种流变模型及其参数的方法。     

基于损伤力学的砂岩蠕变模型研究与参数辨识

在Burgers模型的基础上,应用损伤力学的原理,通过引入3种不同的损伤变量演化规律,建立了改进Kachanov蠕变损伤模型、应变控制蠕变损伤模型和统计损伤模型,模拟向家坝砂岩三轴蠕变试验,并进行模型参数辨识及参数敏感性分析.3种蠕变损伤本构模型都能够较好地模拟蠕变全过程曲线,且各模型对曲线的模拟有着各自的特点.对比分析各个蠕变损伤模型,说明了提出的3种蠕变损伤本构模型都能够很好地反映砂岩的流变特性,但相比而言统计蠕变损伤模型更具有优势.本文研究为岩石工程的长期稳定性分析提供了理论参考.     

考虑软岩参数随时间变化的非定常西原蠕变模型参数辨识及数值模拟

为了准确地描述软岩蠕变规律,基于经典西原模型,考虑软岩参数随时间的变化,建立一种非定常西原模型,并采用单轴压缩蠕变试验研究软岩的蠕变力学特性,基于单轴压缩蠕变试验数据对所建立模型进行参数辨识;利用ABAQUS软件的二次开发功能,将所建立模型嵌入其中进行软岩蠕变过程的数值模拟。结果表明：通过拟合单轴压缩蠕变试验数据并辨识相关参数,相关系数不小于0.997,所建立模型与实际情况吻合度较高,可准确地描述软岩的初期蠕变、等速蠕变、加速蠕变3个阶段;模拟结果与单轴压缩蠕变试验结果基本吻合,验证了所建立模型可以在数值软件中准确应用并进行相关工程计算。     

冻结红层软岩的蠕变特性研究

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性,对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。     

基于粘塑理论的岩石流变本构模型研究

基于热力学框架下的Perzyna粘塑理论,推导了适用于岩石的流变粘弹塑性本构模型,结合砂岩的三轴蠕变试验数据,对推导的本构模型的合理性与正确性进行了验证.结果表明:基于粘塑理论的流变本构模型可以较好地反映岩石的流变力学特性,对室内试验结果拟合得到的相关力学参数可以作为现场岩体流变力学特性评价的参考依据.     

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．     

基于PSO-BP网络的流变本构模型智能化识别研究

岩石流变是岩石力学问题中一个重要的研究课题,而岩石流变本构模型理论仍是目前岩石力学研究中的难点和热点问题之一.基于神经网络方法智能化识别岩石流变本构模型.基于系统辨识理论,构建了PSO-BP神经网络模型,在Matlab平台基础上编写PSO-BP网络智能化识别程序,直接根据流变试验数据,通过网络自学习,输出可以近似反映岩石流变全过程的神经网络结构化表达.将识别得到的岩石流变本构模型与原试验曲线进行拟合,并利用模型验证数据进行仿真计算,得到的仿真结果令人满意,验证了该神经网络方法直接识别岩石流变模型是可行的.     

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。     

一种软岩流变模型

为了描述工程软岩的复杂流变特性,提出了2种非线性元件——蠕变体(CYJ体)和裂隙塑性体(L体).并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体(K体)、描述瞬弹性的虎克体(H体)及圣文南体(S体)相结合,得到了一种新的复合流变力学模型,并推导了其流变本构方程;讨论了该复合模型在恒应力条件下的蠕变特性及恒加载速率下的流变效应.研究结果表明:该模型不但能描述软岩在低应力时的弹性和粘弹性(稳定蠕变),而且能描述软岩在较高应力时的弹性、塑性、粘弹性和粘塑性(不稳定蠕变).     

软岩蠕变试验与理论模型分析的对比

使用Instron-1346型电液伺服刚性试验机，采用陈氏加载法，作了软岩的单轴和三轴蠕变试验。利用非牛顿体粘性元件构成五元件的改进西原正夫模型，探讨了与时间有关的软岩一维和三维的本构方程和蠕变方程，全面反映了软岩真实的三阶段蠕变实验规律，通过非线形的麦夸脱法求得的软岩流变力学参数形成的理论结果与软岩的实验结果的对比分析，验证了理论结果的正确性。     

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。