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。     

软岩黏弹塑性流变特性及非线性蠕变模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司Ⅲ矿区软弱矿岩进行流变试验,探讨了软弱矿岩的黏弹塑性变形特性.建立了软岩的非线性蠕变模型.结果表明:分级增量循环加卸载下软岩有明显的瞬时应变硬化趋势,软弱矿岩JC1099试件的黏弹性应变分量与黏塑性应变分量之比为3.15～6.58,随应力水平的增加蠕应变中黏塑性应变占的份量总体上有增加走势;在低应力水平下,蠕变变形趋于稳定状态,在高应力水平下,软岩蠕变往往表现出加速蠕变特性.建立的非线性蠕变模型可以用统一的蠕变方程来描述软岩蠕变的3阶段,将该模型应用于金川Ⅲ矿区矿岩蠕变试验,蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

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。     

岩石广义流变柔量、模量时间依存性

地下工程中,岩体有蠕变特性和应力松弛特性,但在很多的工程实践中,岩体变形既不是纯蠕变,也不是纯应力松弛,而是随着时间的增加,应力和应变同时发生变化,表现出时间依存性变形,导致岩体最终破坏,这种现象用一般的蠕变和应力松弛很难解释清楚,它是岩石力学研究工作者所面临的一个挑战性难题。蠕变柔量由蠕变试验获得,松弛模量由应力松弛试验获得,在线性粘弹性理论中,蠕变柔量和松弛模量呈线性流变特征,两者互为倒数关系,且可相互转化,没有本质区别。但在非线性粘弹性理论中,两者关系还不明确,由应力归还控制的试验方法为研究两者关系提供了可能。利用应力归还控制的试验方法执行I类岩石和II类岩石的广义流变试验,得到不同应力水平和不同方向系数下岩石广义流变演化规律。在线弹性蠕变柔量和松弛模量定义的基础上,运用广义流变理论,探寻了广义关联应变和关联应力,并提出了广义流变柔量和模量的计算方法。对试验结果进行计算可以看出,提出的计算方法具有广义性,计算结果发现两类岩石广义流变柔量、模量与粘弹性变形相关,具有明显的时间依存性和非线性流变特征,且两类岩石广义流变柔量和模量的比值随着时间的增加逐渐减小,表明破坏前岩石刚性逐渐降低。因此,本文构建的计算方法可进一步分析岩石破坏前和破坏后刚度和塑性变形的定量关系,为研究岩石的时间效应奠定了基础,对评估地下工程的长期稳定性具有重要的意义。     

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。     

茅口灰岩单轴压缩条件下的流变特性试验研究

取重庆北碚车站隧道茅口灰岩,根据现场岩层覆盖厚度及其茅口灰岩容重,取单轴压缩应力为6 MPa,采用MTS815多功能岩石试验机对岩样进行24 h单轴压缩蠕变试验,得到岩石轴向应变-时间曲线。分析岩石应变-时间曲线,发现茅口灰岩具有弹性-弹粘性之流变特性,与Poyting-Thomson model相似。用Origin软件对流变试验数据用Poyting-Thomson model方程进行拟合,得到低应力下流变拟合曲线,该拟合曲线能较好反应试验数据。因此,Poyting-Thomson model能较好反应茅口灰岩流变特性。最后求出了茅口灰岩低应力作用下流变模型各项参数。     

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）。     

营口地区软土的流变模型

根据室内三轴剪切流变试验的结果,研究了营口地区淤泥质软土的流变特性.结果表明,该类软土具有明显的变形时效性及其在不同应力水平下的蠕变特性.通过分析蠕变曲线的规律,选择了西原模型和双阀值模型这两种理论模型来描述软土的流变特性.由非线性拟合的结果得出其扩展的理论模型精度更高及双阀值模型比西原模型精度更高的结论,同时还指出软土的非线性特性对参数拟合的影响.最后,选择了Singh Mitchell模型及其修正模型对软土进行经验拟合,并达到了良好的精度.     

软土流变特性试验研究

根据室内三轴流变试验的结果,研究了北京地区粉质粘土的流变特性。结果表明,该类软土具有较明显的变形时效性及其在不同应力水平下的蠕变特性。通过分析蠕变曲线的规律,选择了广义开尔文五单元理论模型和时间硬化经验蠕变公式来描述软土的流变特性,并达到了良好的精度,建立了适合北京地区典型软土的流变理论模型和经验模型。     

干燥和饱水炭质板岩流变力学特性与模型研究

水是影响岩石流变力学性质的重要因素.采用分级加载方式,对兰渝铁路木寨岭二期隧道炭质板岩开展干燥与饱水状态下的单轴蠕变试验.结果表明:饱水岩样的蠕变量和蠕变速率远大于干燥岩样的相应值,相同应力水平下的蠕变应变可达到干燥岩样的3倍以上,进入稳定蠕变阶段也需要更长的时间.分析岩石的蠕变规律,通过在Burgers流变模型上串联一个非线性粘塑性体,提出改进的非线性损伤流变模型,推导其一维和三维蠕变方程.并对流变模型参数辨识方法进行改进,采用线性递减权重粒子群算法(PSO)和Levenberg-Marqud非线性最小二乘法相结合的方法对试验结果进行参数辨识,结果表明该模型能够很好地描述炭质板岩在不同应力水平下的蠕变特性.     

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。     

Rheological constitutive model of rock mass based on viscoplastic theory

With many major projects under construction,more and more attention is paid to rheological mechanical properties of rock mass,and extensive researches are carried out for rheological constitutive modeling of rock mass.Based on viscoplastic theory,a new rheological constitutive model is proposed.The rationality and validity of proposed model are verified through the creep test data.The results show that the rheological constitutive model based on viscoplastic theory is able to simulate the typical creep curves of rock mass and the identified parameters are reasonable.Therefore,the rheological constitutive model could be used to describe the rheological mechanical behaviour of rock mass.     

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。     

软岩非定常蠕变参数辨识

岩石的流变特性是年岩石重要的力学特性之一,它控制着岩石的蠕变参数.某矿区岩石具有显著流变性,因此,矿区岩石蠕变规律研究成为一项重要的基础工作.为此,对矿区软弱复杂矿岩蠕变特性进行了试验研究.采用多级循环单轴压缩进行试验,在对试验数据深入分析时,考虑了加载历史对岩石试件变形的影响,真实地反映了岩石试件本身的流变力学行为.选取Burgers模型来反映岩石的蠕变特性,建立了一维情况下非定常粘弹性模型的蠕变方程,结果表明非定常粘弹性模型比定常粘弹性模型更为准确地反映了岩石的粘弹性变形性能.     

岩石非线性蠕变损伤模型研究

对岩石蠕变3个阶段各自的力学状态特征进行分析,认为岩石处于衰减和稳态蠕变阶段时存在非线性硬化现象,此时可以认为岩石内部不产生损伤或者是损伤程度十分微小可以忽略不计;当岩石处于加速蠕变阶段时,岩石内部的损伤不断产生并加剧,呈现出较为明显的非线性特征;将一个非线性硬化函数和损伤演化方程引入到Maxwell蠕变模型中去,使其可以较好地描述蠕变的3个阶段.对向家坝水电站右岸地下厂房工程区的砂岩进行了三轴蠕变力学试验,依据典型的岩石全程蠕变试验曲线数据,对所提出的岩石非线性蠕变损伤模型进行了辨识,辨识的蠕变模型和试验结果具有较好的一致性.     

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。     

含水炭质板岩非线性蠕变损伤模型及应用

对深埋隧道炭质板岩进行高围压不同含水状态三轴蠕变试验.蠕变过程中,随着加载应力水平提高及含水量的增加,炭质板岩产生衰减、稳态及加速蠕变3阶段.将Burgers模型串联一个由非线性黏壶η(n,t)与塑性体并联而成的非线性粘塑性元件,改进后的模型可描述加速蠕变曲线.由该模型建立本构方程,拟合分析不同含水状态炭质板岩的蠕变参数,结果显示粘滞系数ηM、瞬时变形模量EM、粘弹性变形模量EK、粘弹性粘滞系数ηK随含水率增加呈指数形式递减,但递减规律并不相同.引入含水损伤变量D(w),计算得到各蠕变参数指数型含水损伤演化方程,进而建立了考虑含水损伤的非线性蠕变模型,可充分反映不同含水状态对炭质板岩的蠕变损伤特性.建立数值模型,计算不同含水状态隧道围岩时效变形规律,结果显示初期支护体系于168 h左右闭合能有效限制围岩蠕变变形发展,二衬宜于初期支护闭合后360 h左右施作.