锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

基于分数阶无网格法的岩石流变特性试验研究

研究了分数阶广义Kelvin模型的本构关系,并将其引入到无网格方法中,从而推导出新的算法公式。运用MTS815.02型电液伺服岩石力学试验系统,对泥质砂岩进行压缩蠕变试验。应用分数阶Kelvin无网格法进行反演验证,获得良好效果。     

基于非定常分数阶的岩石时效性蠕变模型

为了研究砂岩在不同围压作用下的蠕变特性,采用MTS 815.02试验机对砂岩进行三轴蠕变试验,进而分析了砂岩在不同围压作用下的蠕变变形规律.将黏壶黏滞系数非定常化来构建非定常Abel黏壶,在此基础上对分数阶阶数进行非定常化,进而建立一种基于非定常分数阶的砂岩时效性蠕变本构模型,使得该模型可以更好地描述岩石的加速蠕变变形规律;通过Levenberg-Marquardt算法对三轴蠕变模型参数进行识别,来验证构建蠕变模型的正确性.结果表明:在时间和应力双重作用影响下,将分数阶阶数γ当做是一个关于应力和时间的函数,构建的非定常分数阶砂岩三维时效性蠕变本构模型可以很好地描述岩石的加速蠕变变形规律;模型曲线和试验曲线拟合均在0.95以上,侧面证明了将分数阶阶数非定常化是可行的.同时,采用单轴蠕变曲线和蠕变模型曲线进行对比,得出试验数据与一维时效性蠕变模型的吻合度也较高,这进一步说明了采用非定常化分数阶阶数建立的一维时效性蠕变模型是可靠的.     

软岩现场流变试验及非线性分数阶蠕变模型

软弱岩体的流变力学特性研究对于保证矿井软岩巷道围岩的稳定性具有重要的意义,有必要进行软弱岩体的现场流变试验及其本构模型的研究工作。首先进行了煤矿软岩巷道底板大体积软弱岩体的现场分级加载压缩蠕变试验,其后引入分数阶微积分理论,采用Abel黏壶元件替代传统Burgers流变模型中的粘弹性体(即Kelvin体),并基于现场岩体流变试验结果中岩体试样在加速蠕变阶段的变形特征,在改进后的Burgers模型上串联上非线性黏塑性体(即NAVPB),建立了现场软弱岩体的非线性分数阶蠕变模型,最后基于岩体试样的流变试验数据,进行了非线性分数阶蠕变模型和Burger模型的参数拟合与对比分析。软弱岩体现场流变试验结果表明:岩体试样是否发生加速蠕变与加载的应力水平有关,其蠕变存在加速蠕变应力阈值,应力不大于该阈值时,岩体试样蠕变只发生衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,且稳定蠕变阶段变形速率不为零;应力大于该阈值时,岩体试样经历完整的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3阶段并最终发生破坏,且存在加速蠕变启动时间点。模型参数拟合及对比结果表明:提出的软弱岩体非线性分数阶蠕变模型结构较为简单,相较于Burgers模型,能较好地...     

陕北地区人工冻土蠕变试验研究

以小纪汗煤矿小苏计井筒检查孔为研究对象,在安徽理工大学冻土实验室内进行试验,根据冻土的单轴抗压强度试验、单轴蠕变试验及其数据分析得到冻土本构关系曲线以及蠕变曲线规律,这对陕北地区矿井井筒的冻结法的设计和施工具有指导意义。     

低温环境下红砂岩蠕变特性及其模型

为研究低温环境下岩体工程的长期稳定性,以饱水状态下的陕西红砂岩为研究对象,采用MTS810岩石力学试验机进行不同温度(20,-10,-20℃)条件下的分级加卸载单轴蠕变试验,研究了不同温度条件下红砂岩的蠕变特性及温度对岩石蠕变特性的影响。根据蠕变试验结果,将岩样总应变分为瞬时应变和蠕变应变,瞬时应变由瞬时弹性和瞬时塑性应变组成,蠕变应变由黏弹性和黏塑性应变组成。结果表明,瞬时应变随应力水平的增加而增大,瞬时弹性应变与应力呈近似线性关系;随着应力水平的增加,黏塑性应变随时间逐渐增加,总应变中黏塑性应变的比例也趋于增大。随着温度的降低,岩样瞬时应变及相同应力水平下的蠕变应变均减小,蠕变持续时间延长,岩石破坏强度提高。根据岩样的变形特性结合蠕变试验结果,引入分数阶微积分,建立考虑低温影响的非线性流变模型;采用通用全局优化算法结合最小二乘法中的Levenberg-Marquarat算法对不同温度环境中的蠕变试验结果进行参数识别,理论曲线与试验结果吻合度较高,尤其加速蠕变阶段效果较好,表明该模型能够很好地描述红砂岩在低温环境下的蠕变行为;对不同温度条件下的模型参数进行分析,结果表明,随着温度的降...     

基于分数阶导数的非饱和渗流问题研究

非饱和渗流问题广泛存在于煤炭工程领域。 现有实验表明,均方位移与时间成非线性关 系,但经典的Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程未考虑这一情况。 针对这一问题,本文通过引入时间分数阶导数,结 合两种水力传导系数对新的Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程进行了数值求解。 在此基础上,分析了时间分数阶 Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程中的相关参数对含水量曲线的影响,并对已有论文的实验数据进行了拟合。 结果 表明,新的模型能够描述反常扩散条件下的非饱和渗流问题。     

基于分数阶微积分理论的泥岩蠕变损伤本构模型

泥岩在吸水膨胀时,其各力学参数均会发生明显变化。建立泥岩分数阶损伤蠕变模型结构图,引入描述岩石损伤程度的损伤变量,当应力水平超过岩石的长期强度时,在泥岩加速应变率加载情况下,建立基于分数阶微积分理论的非线性蠕变损伤模型,基于蠕变模型建立加速应变率加载情况下的泥岩蠕变本构模型。通过本构模型得到,在加速蠕变阶段,应变与时间呈指数函数关系。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明,分数阶β为岩体固有参数并且能够反映岩体硬度,在加速蠕变阶段,分数阶损伤蠕变本构模型能够较好地描述泥岩蠕变的应力—应变关系。     

人工冻结黏土经验模型参数确定及蠕变规律验证

人工冻结法不仅常用于软土、砂层中地铁旁通道开挖及基坑围护等工程,在富水、深厚岩土层矿山井筒建设中也常采用此方法。掌握人工冻土物理力学性质及蠕变规律对安全、快速施工至关重要。对采用冻结法施工的某矿立井深部地层黏土进行-5、-8、-10、-15℃下单轴抗压强度试验及不同应力水平的蠕变特性试验。试验结果表明:抗压强度与冻结温度呈线性相关;在同一试验温度下,随着应力等级升高,轴向变形呈上升趋势;在同一应力水平下,随着试验环境温度下降,轴向变形呈下降趋势。引入考虑温度效应的经验蠕变模型,在各负温及不同应力水平下的应变与时间取对数具有线性关系的基础上,将线性表达式代入对应公式中联立方程组进行求解确定模型参数。将模型计算值与试验数据进行对比,反映出该模型能够较好地模拟人工冻结黏土蠕变初始变形阶段和稳定变形阶段。所建立的模型具有参数较少、易于确定、参数物理意义明确等优点,为冻结壁设计提供了一种有效的计算方法。     

砂岩蠕变模型及参数演化规律

为更深入认识岩石黏弹性力学行为,建立了改进的Maxwell模型,以砂岩蠕变试验结果为依据,检验了模型的可行性,并在此基础上,提出了获得不同加载时刻该模型参数的方法,对采用该法得到的结果进行拟合及敏感性分析。研究结果表明,改进的Maxwell模型可以描述砂岩黏弹性特性,且弛豫时间对应力水平较为敏感,而分数阶导数恰恰相反;分数阶导数与岩石内裂纹发育情况呈正相关;岩石稳态蠕变变形过程就是由黏弹性过渡到弹黏性的过程;分数阶演化方程中,系数a主要调控分数阶导数衰减速率,系数b反映分数阶导数衰减方式。该研究成果为明确模型参数物理意义,揭示岩石蠕变全过程提供了参考。     

复杂应力路径人工冻土三轴剪切试验及本构模型

构建人工冻土BP神经网络本构模型,利用冻土三轴实验数据对神经网络模型进行训练,并2次开发有限元本构程序。用BP神经网络本构模型能很好的反映人工冻土非线性,人工冻土三轴数值模拟值和实验值误差在2.43%范围内。通过深井冻结工程数值模拟表明:人工冻土BP神经网络本构模型能较好的描述复杂应力路径变形特征,数值结果和现场实测规律一致,且和实测位移误差在5.0%;应用BP神经网络冻土本构模型准确预测预报人工冻土帷幕应力场和变形场,为冻结工程设计与施工提供参考。     

Primary classification on drillability of frozen soil using neural networks

Through analysis on drillability of frozen soil, it is concluded that the main factors affecting the drillability of frozen soil are temperature, wave velocity, impact inductility and chiseling specific work. Based on the foundation it is discussed that applying the neural networks method to classify the drillability of frozen soil is simple and feasible, and the inputted vectors quantity of networks don‘‘t be restricted, which make the classification on ddllability of frozen soil rather well match the objective practice.     

卸载状态下与周围土体共同作用的冻结壁力模型

基于冻结壁处于卸载状态这一客观事实,提出“卸载状态下冻结壁－周围土体共同作用”的冻结壁力模型。卸载状态用解除应力的等儿应力替代岩土原始应力来表达。在此基础上,导出了周围土体和冻结壁弹塑性区应力、应变状态的解析表达式,并得到冻结壁外载的计算公式和确定塑性区大小的方程。该模型从本质上反映了冻结壁的卸载状态及其对周围土体的共同作用。     

季冻区草炭土非线性K-G模型试验研究

季冻区草炭土是沼泽环境中植物残体在氧化分解作用下,堆积形成的含有大量未分解纤维残体的特殊土.草炭土纤维及其含量对其强度和变形特性具有重要影响,目前考虑纤维含量对草炭土强度和变形特性影响的本构关系研究还相对匮乏.K-G本构模型因其模型参数与土的体积模量和剪切模量能建立直接联系,因此在岩土工程非线性理论和数值计算分析方面广泛应用.以不同纤维含量的草炭土为研究对象,进行三轴剪切试验,研究了草炭土的应力应变曲线,得到了草炭土非线性K-G模型参数,分析了各模型参数随纤维含量的变化规律,建立了模型参数与纤维含量之间的线性函数关系.对实际公路工程建设具有一定的指导意义.     

西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15 ℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。〖JP2〗研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。     

立井冻土周边爆破效果的试验研究

介绍了立井冻土周边爆破效果的实验室试验方法、试验参数及试验结果。从孔深、孔距和最小抵抗线3个方面对试验结果（包括光爆效果、破碎效果和综合效果）进行了分析。通过试验获得了较好效果下周边爆破的适宜参数，并对冻土的爆破机理和爆破对冻结管的影响问题进行了探讨。     

直线双排管冻结壁平均温度的等效抛物弓形模型

在双排管冻结壁温度场的巴霍尔金（Бахолдин）解析解和考虑地层实际冻结温度时该解的修正解的基础上,建立了一种双排管冻结壁的平均温度解析计算模型--等效抛物弓形模型。该模型以冻结壁某一横截面厚度上的等效抛物弓形法计算的平均温度来等效整体冻结壁的平均温度。在实际工程中可能出现的冻结管平面布置参数变化范围内全面考察了冻结壁平均温度等效抛物弓形计算结果与依据巴霍尔金解析解数值积分计算结果的误差以及误差规律。结果表明,等效抛物弓形计算的冻结壁平均温度误差较小,具有足够的工程精度。