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。     

抚顺西露天矿泥岩蠕变特性试验及介观模型研究

为研究抚顺西露天矿边坡中泥岩蠕变特征,利用ITZ-1型三轴剪切仪,采用陈氏分级加载法对抚顺西露天矿边坡中的岩样进行蠕变试验,获得岩样蠕变曲线。对试验数据进行数值拟合得到改进的Burgers模型基本参数,在ABAQUS有限元分析软件中对改进的Burgers模型二次开发编写UMAT子程序。通过Python脚本结合Voronoi多边形法建立岩石介观结构模型,模拟得出岩样蠕变曲线,分析试验蠕变曲线及数值模拟得出的介观尺度损伤。研究结果表明：抚顺西露天矿边坡中泥岩具有减速和等速蠕变阶段特性,岩石介观模型模拟所得蠕变结果与试验结果误差较小,泥岩中沿轴向生长的介观结构更易发生损伤、破坏。所建岩石介观模型可以更精确地模拟岩石介观结构特征,为工程实际中的岩石力学仿真模拟提供参考。     

南京河西地区软土压缩蠕变特性试验研究

研究软土的压缩蠕变规律对于软土地区各类建筑物的长期稳定性和运行安全性十分重要.利用单向固结仪,进行不同荷载条件下南京河西地区软土压缩试验,获得了软土在单向压缩条件下应力与应变关系及应变与时间关系,试验结果表明:南京河西地区软土在单向压缩条件下的应力应变关系可用双曲线函数进行模拟,并且可用割线模量法概化应力应变关系;此外根据不同加荷条件下的蠕变试验结果,得出南京河西地区软土具有非线性蠕变特性;可用对数函数描述软土蠕变规律.研究结果可为南京河西地区软土地基的沉降和工后沉降计算提供依据.     

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。     

干湿循环对炭质泥岩蠕变及损伤特性的影响

为揭示炭质泥岩库岸边坡的时效变形和损伤特性,对经历不同干湿循环次数的炭质泥岩试样进行低场核磁共振和三轴压缩流变试验,研究炭质泥岩孔隙演化特征和蠕变特性;在此基础上,基于损伤理论和Lemaitre应变等效原理,建立考虑干湿循环、轴压和时间因素耦合影响的蠕变损伤方程 . 结果表明：随干湿循环次数增加,炭质泥岩孔隙率增加,孔隙结构由小孔隙向大孔隙演变,瞬时应变和蠕变量增大 . 建立的损伤方程能较好地表征干湿循环次数、轴压和时间对炭质泥岩损伤演化的影响;随干湿循环次数增加,炭质泥岩损伤增大,损伤时间效应增强;轴压增大,损伤增长的速率加快,加速损伤的持续时间增长.     

深水低固结软泥岩蠕变特性及其工程应用

深水低固结软泥岩地层处于弱固结地层与正常固结地层之间的过渡带,研究其蠕变特性对于设计合理的井身结构及确保深水钻井的顺利进行有重要的意义。利用取自中国南海的低固结软泥岩岩心进行蠕变实验,根据蠕变实验结果建立了合适的蠕变模型。然后在此基础上,结合深水地层的井眼模型,建立了深水低固结软泥岩地层的井眼缩径模型及井眼坍塌模型。研究结果表明,低固结软泥岩的非线性蠕变现象明显,且瞬时蠕变量较大,经验模型更适合用来描述其蠕变特性。若钻井时泥浆密度较小,井眼在短时间内就会形成严重的缩径,从而影响正常钻井。低固结软泥岩地层的井眼坍塌具有明显的时间黏滞效应。随着时间的增加,井眼破坏区会逐渐增大,最终发生坍塌。     

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。     

天然中等风化泥岩非线性黏弹塑性蠕变模型

天然中等风化泥岩作为灌注桩的桩基承台,其承受混凝土灌注桩传递的长期荷载会发生蠕变,而中等风化泥岩的蠕变过大会对灌注桩承载力有影响,因此需要展开中等风化泥岩蠕变模型的探讨和研究。由于目前大多数蠕变模型对于蠕变的全阶段曲线的描述都不太理想,所以基于西原体,把非线性黏塑性体与西原体串联得到了一种新的模型;继而通过拉式变换得到了一种新的蠕变方程。以新的蠕变方程对中等风化泥岩单轴蠕变的试验数据进行拟合,并对此蠕变方程进行了与时间有关的参数敏感性分析。     

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。     

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。     

软黏土的三轴蠕变试验与修正的Singh-Mitchell蠕变模型

为了准确地掌握软黏土的蠕变特性,以湖南省竹城公路路基软黏土为研究对象,采用梯级荷载加载方法进行了室内三轴固结不排水蠕变试验,获得该软黏土蠕变试验数据和曲线.然后采用Singh-Mitchell经验蠕变模型描述该软黏土的蠕变特性,但模型计算结果与试验结果误差较大.分析Singh-Mitchell模型与试验结果产生误差的原因,通过对Singh-Mitchell模型的指数函数部分进行改进以及将原幂函数部分改换成双曲线函数,建立修正的Singh-Mitchell蠕变模型,并将新建立模型的计算结果与试验结果进行比较.研究结果表明:所建立的修正的Singh-Mitchell蠕变模型与试验结果一致性远优于原Singh-Mitchll模型,能更好地描述该软黏土的蠕变特性.     

原状黄土一维蠕变试验及蠕变模型

中国高速公路银百线陕西境段的控制性工程支党河特大桥经过黄土大沟壑地区,区内存在一大型HP15古滑坡体,从长期角度看可能对桥梁后期稳定性存在威胁,为合理制定防范措施,需要研究黄土的长期蠕变特性.基于该工程面临的实际难题,开展了HP15滑坡体原状黄土在不同应力状态和含水率下的单轴蠕变特性实验,建立了基于Burgers模型的单因素、双因素元件蠕变模型,并通过实验数据曲线拟合的方式建立了考虑时间、含水率和应力状态的3因素经验蠕变模型,扩展了蠕变模型的适用范围,进一步提高了模型对实验黄土蠕变特性的表达,同时也为该黄土边坡的长期损伤防治提供实验基础和理论指导.     

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。     

水与煤岩蠕变影响试验研究

为了解决煤岩体具有的流变性,而蠕变是流变的主要形式;遇水后煤岩力学性质发生显著变化,造成煤岩体的变形和失稳,导致重大工程事故的发生。采用静载油压三轴试验机,测定不同含水率对煤岩体试件蠕变特性规律;根据含水状态对煤岩体蠕变特性影响,对煤岩蠕变模型以及参数进行了确定。该成果为含水状态下煤岩体的长期稳定性研究提供理论依据。     

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。     

三轴压缩下突出煤粘弹塑性蠕变模型

煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的灾害之一,研究突出煤的蠕变特性是认识煤与瓦斯延迟突出机理的重要方向。采用自行研制的突出煤蠕变渗流试验装置,对取自松藻煤矿的煤样进行了突出煤三轴蠕变试验。蠕变试验数据分析表明,突出煤在低于其长期强度载荷条件下表现出一种衰减蠕变特性,在高于其长期强度载荷条件下则表现出非衰减蠕变特性。通过引入能描述非牛顿流体变形特性的粘弹塑性体,结合鲍埃丁-汤姆逊体建立了突出煤粘弹塑性蠕变模型。利用Matlab编程拟合出了模型的相关参数,并根据突出煤的三维蠕变试验结果对蠕变模型进行了验证。试验结果与理论结果对比表明,所提出的突出煤的蠕变模型能有效地反映突出煤各种蠕变阶段的变形特性,尤其是加速蠕变阶段,充分体现了所建立的突出煤粘弹塑性蠕变模型的正确性与合理性。     

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。     

基于粒子群-最小二乘法的岩石流变模型参数反演

为解决参数数量随加载级数增加而成倍增加,对参数反演带来困难这一问题,在分级加载蠕变模型中,根据粒子群算法和最小二乘法对参数反演的特点,先采用粒子群算法(PSO)对模型参数进行反演得到一个全局次优粒子,再将其作为初始值对模型参数进行最小二乘法反演.工程实例表明,粒子群-最小二乘法反演可以很好地应用于分级加载蠕变模型的参数反演.     

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.