参数非定常的软岩非线性黏弹塑性蠕变模型

经典线性组合元件模型难以描述岩石三阶段不稳定蠕变,至今已经出现很多非线性组合元件模型来表述完整的岩石三阶段蠕变,但仍然存在不足.基于Maxwell蠕变模型,引入非线性黏塑性体(NVPB模型)和其串联,并根据蠕变过程中岩石弹性模量随时间的弱化规律,提出了一种新的参数非定常非线性黏弹塑性蠕变本构模型,可以完整地描述泥岩三阶段不稳定蠕变.通过泥岩蠕变试验数据对该非定常非线性蠕变模型参数进行了辨识,并将该蠕变模型的计算结果和试验数据进行了对比,证明了本文所建立的非定常非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性与合理性.     

冻结重塑黏土分数阶蠕变本构模型分析

人工冻土的蠕变特性受温度场、水分场、应力场的相互影响,而传统的岩土本构模型未能考虑温度、含水率等因素。为了表达冻土介于理想固体和理想流体之间的某种“勾兑效应”,基于岩土的经验模型,将分数阶导数理论引入其中,建立受水、热、力三场耦合影响的人工冻土分数阶蠕变模型。将西安某煤矿黏土重塑并进行不同温度、含水率的单轴抗压和单轴蠕变试验,得到温度和含水率对冻结重塑黏土强度特性和蠕变特性的影响规律。分析冻结重塑黏土在不同负温、含水率及两种应力等级下的蠕变曲线,得到lg t-lg ε曲线的线性关系,进而得出冻结重塑黏土分数阶蠕变模型相关参数与温度、含水率的函数关系。对比分数阶冻土蠕变模型试验值与计算值,发现该模型能够很好地反映冻土在不同应力等级下其蠕变随温度和含水率的变化规律,对指导寒区冻土工程设计与施工具有重要意义。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

提出一种新的非定常粘滞系数的流变元件,然后将提出的非线性流变元件引进到PoytingThomson模型中,从而建立了新的非线性黏弹塑性流变模型,该模型不但可以较好地模拟岩石蠕变三个阶段,而且模型参数较少。推导出模型的本构方程及蠕变方程,并探讨了模型参数的辨识方法,最后利用本文建立的非线性流变模型所得到的理论曲线与砂岩蠕变试验曲线进行对比分析。结果表明:本文建立的非线性流变模型具有较高的准确性及合理性。     

阜阳刘庄矿东风井人工冻土蠕变实验研究

为了详细研究淮南矿区冻土的物理力学性能,为冻结法施工提供设计参数,以刘庄煤矿东风井典型粘土层为研究对象,在冻结冻土力学性能室内进行了人工冻结的蠕变试验。根据冻土单轴蠕变实验数据,分析总结出冻土在单轴应力条件下的应力、应变、温度和时间相互作用的关系,从而得到蠕变本构方程和蠕变规律,该规律对淮南矿区井筒冻结设计和施工具有重要的借鉴意义。     

泥岩黏弹性剪切蠕变模型及参数辨识

基于泥岩黏弹性剪切蠕变试验结果,采用Burgers模型辨识获得了不同时间尺度下的泥岩黏弹性剪切蠕变参数,分析了时间尺度对泥岩黏弹性剪切蠕变模型参数的影响.结果表明,Burgers黏弹性剪切蠕变模型参数具有显著的时间尺度效应,以短期内的蠕变试验数据辨识获得的蠕变模型在预测岩石长期的黏弹性蠕变特征时显著高于试验结果.基于稳态蠕变阶段的试验数据拟合获得黏滞系数η2后再确定的蠕变模型能较好地预测长期的黏弹性蠕变特征,但在时间尺度较低时与试验结果吻合得不理想,然而建立的非线性黏弹性剪切蠕变经验模型,拟合得到的误差平方和Q(0.56×10-8～1.49×10-8)显著低于Burgers黏弹性剪切蠕变模型拟合得到的Q(0.16×10-8～8.15×10-8),能够更加准确地描述岩石的黏弹性蠕变特征.     

冻结黏土力学性能多参数试验研究

为获得冻结黏土力学性能的相关参数及其变化规律,从皖北某矿获取三个层位的原状土样,通过冻胀试验、单轴抗压强度试验、抗剪强度试验和蠕变试验,获得了冻结黏土的弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等物理参数及变化规律.试验结果表明:冻土的冻胀规律可用指数函数来描述,冻胀率、冻胀力都在经历最初的快速发展后,最终趋于稳定;在-15～-5℃范围内,各土层冻土的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力均随温度降低而增大,而泊松比随温度降低而减小;在应力水平较低条件下,冻土蠕变基本上属于稳定性蠕变;当应力水平较高时,试验结果属于非稳定性蠕变.     

岩石分数阶蠕变损伤本构模型研究

红层边坡蠕滑现象显著,岩石具有较强的蠕变特性。为了反映岩石蠕变全过程,基于岩石蠕变的阶段特征,通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体来分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。将损伤变量加入弹性体,引入SN元件改进分数阶软体元件,综合改进后的考虑时效损伤的弹性体和基于分数阶微积分的非定常黏滞体和黏塑性体,构建新的三元件蠕变损伤本构模型。采用RLW-2000三轴流变试验系统开展红层泥岩三轴压缩蠕变试验,再引用相关文献中盐岩和红砂岩典型蠕变数据,通过三种岩石蠕变曲线对该模型进行验证,证明所建模型的合理性和适用性。     

基于非定常分数阶微积分的岩石蠕变模型研究

分数阶导数引入蠕变模型可较好地模拟蠕变特性,为了解决常规分数阶黏滞体的微分阶次多为定常数,不能用同一元件模拟岩石蠕变的衰减、稳定或加速阶段的问题,基于分数阶微积分理论,提出了一种非定常微分阶次的分数阶黏性元件,将此元件与引入分数阶的理想黏塑性体及理想弹簧串联,建立了新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型的蠕变方程,并分别利用岩石蠕变试验结果及西原体模型、河海模型对其合理性进行了验证、对比。结果表明:所建模型拟合曲线与试验数据吻合较好,误差较小,具有较高的准确性及合理性,能够较好地模拟岩石蠕变全过程。     

基于力学参数时效性的非定常蠕变模型

为了研究阜新恒大煤矿开采过程中围岩呈现出明显的流变性质,采用MTS815.02试验机开展不同围压作用下的蠕变试验.考虑时间与应力对蠕变参数和力学参数的影响,通过引入过应力差和时间乘积的概念,构建考虑时效性和应力状态的损伤模型,进而在西原体模型的基础上建立一个新型的非定常蠕变模型,结合砂岩不同围压作用下的蠕变试验结果,对模型中的参数进行反演,将得到的参数代入模型中与试验曲线进行对比.结果表明:蠕变试验曲线与模型曲线具有较高的拟合度,说明该模型不仅克服了传统西原体难以描述加速蠕变特性的缺点,也验证了建立的非定常非线性蠕变模型的正确性与合理性.     

岩石三维非线性黏弹塑性损伤蠕变模型研究

为了准确描述岩石蠕变曲线的各阶段特征,将Kelvin模型中黏壶元件的黏滞系数定义为与时间相关的函数,并根据蠕变损伤理论构建了一个考虑蠕变参数随时间劣化的损伤黏弹塑性体,进而将弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏弹塑性体进行串联,提出了可以描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性损伤蠕变模型,并合理推导了该模型在恒应力情况下的一维和三维蠕变方程。最后,根据相关蠕变试验数据进行参数识别来验证损伤蠕变模型的有效性,对比分析理论模型和试验数据的相关性,结果表明该模型能很好地描述岩石蠕变全过程,且相关系数均在0.92以上。     

人工冻土蠕变的数值计算及其模拟

根据人工冻土蠕变特征和本构方程，引入经典弹塑性力学理论，将空间域和时间域进行离散化，提出了以时间增量法为基础的人工冻土有限元数值模拟计算公式应用ANSYS有限元程序分析了一个实例．并将数值模拟结果、解析解和现场实测数据进行对比分析，结果表明运用数值模拟方法可以模拟冻土的蠕变计算，揭示冻结壁变形规律，且具有一定的计算精度，从而为今后人工冻土蠕变计算提供了一种实用方法．     

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。     

芒硝蠕变特性及本构模型研究

利用RLW-2000岩石流变试验机对芒硝开展了三轴压缩蠕变试验。试验结果显示,同一围压下,随轴向应力增大,芒硝蠕变变形量和稳态蠕变率均随之增加,而各级荷载加载过程中芒硝变形模量不断减小;芒硝蠕变过程具有非线性特征,且随蠕变时间延长,芒硝屈服强度逐渐降低。以分数阶粘滞体代替广义Kelvin模型中的经典粘滞体,建立了分数阶广义Kelvin模型;针对其蠕变方程形式复杂、应用不便的缺点对其进行了简化,将简化后的分数阶广义Kelvin模型与Heard稳态蠕变模型相结合,构建了一种新的非线性蠕变本构模型,并利用芒硝蠕变试验结果反演了模型参数。结果表明,拟合曲线和试验结果吻合良好,说明该模型能够较好的描述芒硝的蠕变特性。     

人工冻土单轴抗压强度灰色理论预测

人工冻土的物理力学指标是冻结法凿井中冻结壁设计参数和开挖的依据,为提高人工冻土单轴抗压强度预测的精确度与稳定性,利用灰色理论处理小样本数据的独特优势,结合影响人工冻土单轴抗压强度因素,提出了人工冻土单轴抗压强度的预测方法。针对传统的GM（1,1）模型预测产生的较大误差的缺点,增加了原始序列的光滑度,并优化了时间响应函数,建立了改进的GM（1,1）模型。结果表明,利用改进的GM（1,1）模型的预测精度优于传统模型。该模型为人工冻土单轴抗压强度的预测提供了一种新方法。     

改进的广义Kelvin岩石蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型难以描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,提出一种新的时间触发非线性黏性元件,并将其与广义Kelvin模型串联,再将岩石蠕变过程中岩石弹性模量的衰减方程引入到广义Kelvin模型中,得到了一个可以模拟岩石蠕变全过程的非线性蠕变模型,推导了不同恒定荷载情况下的一维和三维蠕变方程。根据通用全局优化算法,利用前人所研究的岩石蠕变实验曲线对非线性蠕变模型进行参数确定和模型验证。模型理论计算值和岩石蠕变实验曲线的对比表明该蠕变模型具有较高的正确性和合理性,能较好地模拟岩石在不同应力水平下的蠕变变形,可为今后开展类似研究提供一定的参考价值。     

人工冻土单轴抗压强度GA-SVM预测模型

为了预计冻结法凿井中井壁结构设计中的人工冻土单轴抗压强度,利用支持向量机在处理小样本分类学习的独到优越性及遗传算法全局并行搜索优化的特点,结合影响人工冻土单轴抗压强度因素,提出了人工冻土单轴抗压强度不同核函数的遗传支持向量机计算模型,并运用该模型预计了两淮地区第四系人工冻土单轴抗压强度。结果表明,多项式核函数的遗传支持向量机模型较高斯径向基核函数及Sigmoid核函数的遗传支持向量机模型较准确地预计人工冻土单轴抗压强度。该模型为人工冻土单轴抗压强度的预计提供了一条新途径。     

非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型

基于非线性流变力学理论,建立了非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型。模型中不仅考虑滑带土非饱和特性-基质吸力对土蠕变特性的影响,同时考虑了与时间、应力状态有关的非线性黏滞体的流变特性,由非线性黏滞体替换Burgers模型中的线性黏滞体。对非饱和滑带土开展三轴蠕变试验,并对试验结果采用最小二乘法曲线拟合,获得了不同基质吸力下的蠕变参数,并将试验结果与Burgers模型拟合曲线以及提出的非线性Burgers模型拟合曲线进行对比。结果表明,采用非线性Burgers模型能很好地拟合试验结果,且与试验曲线的吻合程度、相关系数明显高于线性Burgers模型。     

Creep characteristics of coal and rock investigated by nanoindentation

In coal mining industry, with the depth growing of coal mines, the creep behaviours of coal and rock can extensively affect the mining safety, coalbed methane recovery and geo-sequestration. To acquire a better insight into their creep characteristics, an efficient and robust researching technique, nanoindentation, was applied to investigate the creep performances of coal and rock samples obtained from two coal mines in the east of China. Creep characteristics were reflected by evaluating the curves of creep depth versus creep time of nanoindentation tests during the load-holding period at the peak load of 30 mN. These curves can be divided into two stages: transient stage and steady stage; and the time of load-holding period of 5 s, which is the dividing point between two stages, can efficiently avoid the influence of creep displacement on the unloading curves. The exponential function can perfectly fit creep curves and Kelvin model can be used to calculate the rheological parameters of coal and rock samples. Calculated results yield values for the creep modulus and viscosity terms of coal and rock. This study also settled a particular emphasis on the selection of the positions of indentations to obtain the rheological properties of mineralogical constituents in heterogonous coal and rock samples and their elastic aftereffect.     

基于多孔介质理论的冻土水热迁移耦合模型推导

在多孔介质理论的基础上,基于非线性达西定律并假设水分迁移过程为单向、可逆及水分迁移过程中无溶质迁移,推导得出了无相变以及考虑相变的水分迁移方程;引入土体传热方程和土骨架质量密度变化方程,过程中考虑了冻土中温度变化,扩散和对流,以及水分相变和温度、质量变化之间的相互影响。联立各方程得到了非饱和冻土水热分布控制方程,建立了非饱和冻土水热迁移耦合模型。文中亦对模型中具体参数的确定方法提出了建议。方程属于非线性偏微分方程,无法得出解析解,须采用数值解法。