软弱岩体蠕变模型辨识与参数反演

压缩蠕变试验是了解岩体蠕变力学特性的重要手段。通过对大岗山水电站坝区软弱岩体现场压缩蠕变试验资料的分析,揭示坝区软弱岩体具有瞬时弹性变形、减速蠕变和弹性后效特性。通过对各种流变组合模型的辨识,确定采用广义开尔文模型来反映坝区软弱岩体的压缩蠕变特性。根据辨识的蠕变模型推导出了刚性承压板边缘岩体表面的压缩蠕变变形计算公式,据此采用优化反演法获得了坝区软弱岩体的瞬时弹性模量、黏弹性模量和黏滞系数等蠕变参数,从而为坝区边坡加固设计和稳定性分析提供了重要的岩体流变参数资料。     

基于RBF的隧洞岩体蠕变参数反演方法

岩体蠕变参数是软岩洞室设计和施工中的重要力学参数，为解决蠕变参数难以获取的研究现状，建立基于RBF神经网络的隧洞岩体蠕变参数智能反演方法。在综合分析工程资料的基础上，采用符合该工程岩体变形规律的蠕变本构模型，建立反映隧洞开挖支护工序和长期蠕变特征的仿真计算模型，以测点沉降值为指标，采用敏感性分析方法，确定待反演参数。通过正交设计和仿真计算构造训练样本，对RBF神经网络进行训练，建立蠕变参数和位移值之间的非线性关系。输入实测位移值，得到相应的岩体蠕变参数。将该方法应用于滇中引水工程的隧洞蠕变参数反演中，利用所得参数进行数值计算，计算结果与实测位移值误差较小，表明该方法合理、实用，且具有良好的精度，可为获取软岩隧洞蠕变参数提供简捷高效的方法。     

坝区岩体压缩蠕变参数的数值反演

根据大岗山水电站坝区现场承压板压缩蠕变试验资料,在坝区软弱岩体压缩蠕变模型识别的基础上,建立了坝区岩体蠕变参数反演的数值分析方法,该方法可以真实模拟现场承压板的压缩蠕变试验过程和试验点的地层分布与地质状况.采用数值反演有效得到坝区试验点岩体的压缩蠕变参数且数值反演计算变形值与实测变形值基本相近,较好反演了坝区岩体的蠕变力学参数,这为坝区边坡工程的稳定性评价与分析提供了技术参数保证.     

红层滑坡滑带土经验型蠕变模型研究

四川盆地及边缘广泛分布红层边坡,对人类生命财产带来巨大威胁。滑带土的蠕变特性直接关系到红层边坡的长期稳定性,采用CSS-2901TS土体三轴流变试验机进行三轴固结不排水压缩蠕变试验,以研究红层滑坡滑带土蠕变特性。针对蠕变试验成果,结合经验模型理论,通过双曲线函数描述应力-应变关系,并引入Log-Modified函数来描述应变-时间关系,建立一种新的经验型蠕变模型。利用ε/D-ε关系曲线和Levenberg-Marquardt算法及通用全局优化法求解模型参数。采用所建模型对蠕变曲线进行辨识,R2总体在0.97以上,克服了常规经验型蠕变模型难以辨识加速蠕变阶段的困难。经过验证,所建模型能准确地描述红层滑坡滑带土的蠕变特性。     

基于极限学习机的隧洞岩体蠕变参数反分析方法

以某水电站坝区左岸导流洞工程为依托,将极限学习机(ELM)应用于隧洞岩体蠕变参数反演计算中。通过正交实验设计,确定导流洞出口段的16组岩体力学参数,选取其中的14组用FLAC3D中的Cvisc模型进行数值分析,根据各组蠕变参数和与其对应的各测点计算位移,对ELM网络进行训练,输入岩体中关键点实际监测的位移变化过程线,反演出相应的岩体蠕变参数确定二者之间的非线性关系,其余两组用于检验训练结果。将该模型应用于某水电站左岸隧洞岩体蠕变参数反演分析中,计算结果与实测位移值拟合较好,说明该模型简单、实用,具有良好的反演精度,可满足工程设计要求。     

三峡枢纽岩体结构面蠕变模型初步研究

本文根据三峡枢纽三斗坪坝址区各类岩体结构面室内剪切蠕变试验的剪应变-时间关系曲线,得出了蠕变经验方程,它们在初始蠕变阶段为负指数函数形式;等速蠕变阶段为线性函数。而后,又将经验方程进一步抽象化,给出了三峡枢纽岩体结构面的蠕变全过程组合模型,并计算了所给模型方程中的各种参数。本文提出的蠕变全过程模型,描述了岩体结构面应力-应变-时间关系,它为数值分析提供了基础。     

考虑加速蠕变的深井巷道粉砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型研究

围岩流变特性是影响巷道工程安全性和稳定性的关键因素之一,本构模型的研究是岩石流变力学理论研究中最基本最重要的组成部分,同时也是将试验研究成果应用于实际工程的必要环节。综合采用试验研究、理论分析和数值试验模拟分析等研究方法,对淮南矿业集团朱集煤矿千米深井巷道粉砂岩的流变力学特性和本构方程的构建进行了分析研究。在参考大量相关理论和试验资料的基础上,提出改进的与应力以及时间有关的指数函数形式的非线性黏塑性元件,将之与Burgers蠕变模型串联形成能够模拟岩石三阶段蠕变特性的六元件组合模型。对朱集煤矿深井巷道粉砂岩进行高围压状态下三轴蠕变试验,获得了不同应力水平下的蠕变曲线,依据测得的轴向蠕变曲线对所提出的六元件蠕变模型进行参数辨识,验证了模型的合理性。     

地下工程“智能连续”优化方法的实现(Ⅱ)：大型地下厂房空间分布优化研究

基于修正的Rabotnov损伤理论，建立了适合于依托工程岩体的非线性蠕变损伤本构模型，利用白云质灰岩室内三轴蠕变试验结果对本构方程进行了参数识别；同时，将非线性蠕变损伤模型编入到ABAQUS子程序进行二次开发，对变质灰岩室内三轴蠕变试验过程进行三维数值仿真，数值计算得到的流变时程曲线与试验曲线较为一致。将文章第Ⅰ部分实现的地下工程“智能连续”优化方法应用于四川大渡河猴子岩水电站地下厂房合理空间分布优化中，建立考虑围岩体流变特性、地下厂房分步开挖及其支护体系的参数化模型，通过优化分析得到适合于工程建设的最优空间分布施工方案，并将优化方案与设计方案计算结果进行对比，验证了优化方案的合理性。     

构皮滩水电站工程软岩原位流变试验研究

对构皮滩水电站第二级升船机基础的薄层状页岩进行了现场原位流变试验研究。结果表明,薄层状页岩在外荷载的长期作用下蠕变变形较大,表现出显著的黏弹性特征;同时根据半无限空间弹性理论,推导了基于刚性承压板原位流变试验的流变本构关系——Burgers模型解析表达式,并建立了岩体流变本构模型参数的辨识方法。研究结论有效解决了基于原位流变试验的岩体流变力学参数取值问题。     

地下工程智能连续优化方法的实现Ⅱ：大型地下厂房空间分布优化研究

基于修正的Rabotnov损伤理论,建立了适合于依托工程岩体的非线性蠕变损伤本构模型,利用白云质灰岩室内三轴蠕变试验结果对本构方程进行了参数识别;将该模型编入到ABAQUS子程序进行二次开发,对变质灰岩室内三轴蠕变试验过程进行三维数值仿真,数值计算得到的流变时程曲线与试验曲线较为一致。将文章第Ⅰ部分实现的地下工程"智能连续"优化方法应用于四川大渡河猴子岩水电站地下厂房合理空间分布优化中,建立考虑围岩体流变特性、地下厂房分步开挖及其支护体系的参数化模型,通过优化分析得到适合于工程建设的最优空间分布施工方案,并将优化方案与设计方案计算结果进行对比,验证了优化方案的合理性。     

危岩体稳定的时间效应分析

危岩在山区较为常见,其裂尖何时失稳扩展直接影响危岩体的长期稳定性。运用断裂力学理论并引入位移外推法,结合ABAQUS软件分析了危岩体应力强度因子。在危岩稳定性断裂力学分析中采用蠕变理论,通过室内单轴蠕变试验结果得出了时间硬化模型参数,模拟了危岩体在自重荷载作用下的蠕变特性。此外,考虑断裂韧度的时间效应,由岩石蠕变试验获得其损伤演化规律,从而建立了危岩的长期稳定系数公式。实例计算表明,危岩裂尖应力强度因子在蠕变过程中的变化趋势和其蠕变曲线具有相似性。根据分析结果拟合出危岩体长期稳定系数曲线,可预测其达到临界失稳条件的时间。     

考虑时效损伤的岩石分数阶蠕变本构模型

为准确描述岩石蠕变变形破坏全过程,引入连续损伤和分数阶微积分理论建立全面、简练的蠕变本构模型。首先基于弹性模量随时间衰减规律,根据能量损伤的方式定义损伤变量,构建考虑时效损伤的弹性体,并验证该损伤演化方式的可行性。采用Riemann-Liouville型分数阶微积分算子理论,构建具有非线性特征的分数阶软体元件,利用该软体元件作为分数阶黏滞体描述岩石黏弹性应变,在该软体元件的基础上进行损伤演化,得到考虑时效损伤的分数阶黏塑性体。联合分数阶黏滞体、考虑时效损伤的弹性体和分数阶黏塑性体,建立一个新的考虑时效损伤的分数阶蠕变本构模型。给出参数解析方法,利用泥质板岩蠕变数据验证模型合理性和优越性。分析损伤发展过程,判断模型参数敏感度,并通过红砂岩、千枚岩单轴压缩各向异性蠕变特性试验研究蠕变试验数据验证模型适用性。研究成果为岩石蠕变全过程辨识及岩体工程长期稳定性研究提供一定参考。     

考虑温度效应的冻结黏土内变量蠕变模型分析

在冻结法施工中掌握冻土的蠕变特性对工程的安全评价至关重要。采用山西某矿井深部黏土,在负温条件下进行原状土单轴压缩试验与分级加载蠕变试验,研究冻结黏土破坏时的形态、一系列温度下的单轴抗压强度与蠕变曲线的形式。试验得出单轴抗压强度随温度降低呈线性变化,同一加载应力下的蠕变值随着温度的降低而减小。引入内变量理论并将应变作为内变量来描述冻土的蠕变特性,分析蠕变与蠕变率取对数的拟合曲线发现两者具有线性关系,进而建立只与温度和加载系数有关的内变量蠕变模型,模型参数可通过拟合曲线确定。将蠕变的计算值与试验结果对比,发现该模型可以较好地反映冻结黏土的蠕变,且模型参数少,便于工程应用。     

一种改进的Bingham岩石蠕变模型研究

为描述岩石完整蠕变特性,基于非线性流变力学理论,引入能够描述衰减蠕变和加速蠕变阶段的2个非线性函数,将替换传统Bingham模型中的线性元件,建立了一种改进后的Bingham岩石蠕变本构模型。通过引入屈服强度阀值来界定岩石蠕变阶段,当岩石在高应力状态下,模型能同时描述衰减蠕变、定常蠕变和加速蠕变3个阶段。利用天然页岩蠕变试验结果,根据通用全局优化算法,对改进后Bingham模型的参数进行反演辨识,获得了流变参数。对比拟合曲线与试验结果显示,改进后的模型拟合效果良好,相关系数均在0. 9以上,说明该模型的适用性与可行性。     

基于能耗理论的岩石三维蠕变本构模型及临界分段

目前对岩石加速蠕变阶段的启动判定仍是一个难点。为了反映岩石蠕变全过程,基于能量耗散理论,结合蠕变速率特征,以耗散率值作为蠕变三阶段的控制阈值,对蠕变阶段进行临界分段。引入Perzyna黏弹塑性理论,应用到Cvisc元件模型中,建立一种新的加速蠕变启动判定方式的蠕变本构模型,并将其拓展为三维情形。开展砂岩三轴压缩蠕变试验,分析蠕变速率变化特征,研究等时应力-应变关系,提取模型临界分段参数。引用相关文献中泥岩和冻结软岩蠕变试验数据,通过所建模型对3种岩石蠕变试验数据进行辨识,对比试验曲线和预测曲线,验证所建模型描述岩石加速蠕变阶段的优越性,充分显示出所建模型表征蠕变力学行为的合理性和适用性。研究成果为岩石蠕变阶段的划分及力学行为的模拟提供一种新思路。     

岩体参数的进化反演

传统岩体参数反演研究，一般均是在本构模型确定的情况下，进行物性参数的反演。为了对岩体的本构模型参数及物性参数进行全面反演分析，本文从系统辨识角度出发，采用基于实数编码的遗传算法进行研究，提出了一种对本构模型参数及物性参数进行全面反演分析的方法，并通过一个工程实例对其进行了验证。计算结果表明，本文方法可以在仅给出各参数取值范围的条件下，有效地求得岩体本构模型参数及物性参数，且所得诸参数同实际情况相当吻合。     

香炉山引水隧洞围岩的蠕变特性及模型研究

为了探究滇中引水隧洞围岩的蠕变特性,采用实时高温常规三轴试验系统开展岩石的力学性能和蠕变试验。在建立岩石蠕变本构模型的基础上,根据蠕变试验曲线的特点,提出了一种确定蠕变参数的方法,并分析了不同应力水平下蠕变参数的变化规律,构建了蠕变参数与应力的关系。最后将各蠕变参数与应力之间的表达式代入蠕变本构模型中,得到修正的蠕变本构模型。结果表明：建立的蠕变模型不仅准确反映了衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特征,而且克服了传统模型难以描述加速蠕变的缺点。同时,该方法确定的蠕变参数不仅可以反映应力对蠕变参数的影响,还可有效反映应力状态对蠕变变形规律的影响。     

基于高压压水试验的裂隙岩体非线性渗流参数解析模型

高渗压条件下裂隙岩体的渗透特性是高压引水隧洞近场渗流场分析与工程防渗设计的重要参数,一般通过现场钻孔高压压水试验获得。针对钻孔高压压水试验流量-压力曲线的非线性特征,建立了基于Forchheimer方程的裂隙岩体非线性渗流参数(渗透系数k和非线性系数b)解析模型。该解析模型中的渗透系数解析表达式与现行钻孔压水试验规程推荐公式一致,不仅形式简洁,而且物理意义明确,是现行规程推荐公式在非线性流条件下的拓展,可作为高压压水试验条件下钻孔压水试验规程修订的重要依据。对海南省琼中抽水蓄能电站高压岔管区钻孔高压压水试验成果的分析表明:Forchheimer方程很好地表征了高压压水试验过程中流量-压力曲线的非线性特征,本文提出的解析模型为高渗压条件下裂隙岩体非线性渗流参数的合理取值提供了有效的方法和手段,克服了现行钻孔压水试验规程对高渗压条件下裂隙岩体渗透性难以正确表征的局限和由此带来的工程防渗设计风险。     

分级加卸载下砂岩蠕变试验及模型研究

采用分级加卸载方式,利用五联流变实验系统对陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司砂岩进行单轴蠕变试验。针对岩石蠕变的衰减、稳定和加速三阶段特征,将Burgers模型中串联的牛顿体的黏滞系数修正为与应力、时间相关的函数,考虑损伤在蠕变过程中的影响,基于损伤理论和Lemaitre应变等价性假说,建立损伤体模型。将Hooke体、Kelvin模型、修正牛顿体和损伤体四者串联组成一个新的非线性损伤蠕变模型,推导新模型的本构方程和蠕变方程,该模型以一个统一的函数描述岩石在不同应力水平下的蠕变曲线。基于单轴蠕变试验结果,对模型参数进行辨识和敏感性分析,将新模型与试验蠕变曲线对比。结果表明:模型能很好地拟合岩石蠕变,模型无须采用分段函数即可描述砂岩蠕变的全过程,弥补了Burgers模型无法描述加速蠕变的不足,从而验证新模型的合理性。     

软岩非定常分数阶蠕变模型研究

软岩蠕变特性对软岩工程稳定性有着重要影响。为准确描述复杂条件下软岩蠕变特性,在元件本构方程的基础上,引入了非定常参数,构建了变参数非线性黏弹性蠕变模型。该模型采用胡克元件模拟蠕变瞬时阶段,分数阶开尔文体被用来描述等速阶段,非线性黏塑性元件被用来描述加速阶段;同时在分数阶开尔文体中考虑弹性参数随蠕变历时的变化,使模型能最大限度模拟实际情况。后以红砂岩、盐岩和泥岩的蠕变试验数据为例,应用1stOpt软件拟合新模型参数,结果表明:不同围压下3种不同类型岩石的蠕变试验曲线与拟合曲线均能较好吻合,且相关性R2的值均大于0.96,证明该研究提出的新模型适用性较强,可作为软岩蠕变研究的参考。