岩石类材料损伤黏弹塑性动态本构模型研究

 针对岩石类材料的动态力学特性,基于损伤演化和元件模型理论,将岩石类材料视为由具有损伤特性、弹性特性、塑性特性及黏滞特性的非均质点组成,建立考虑损伤的黏弹塑性动态本构模型,并推导出本构方程的微分表达式。将下山单纯形法嵌入自适应混合遗传算法中,编制反演分析程序,在岩石冲击试验数据的基础上,确定出损伤动态本构方程的待定特征参数。利用确定出来的动态本构方程得到的再生应力–应变曲线与试验曲线之间有很好的一致性,从而可验证该损伤黏弹塑性动态本构方程的适用性。     

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

 基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC++编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。     

岩石弹黏塑性流变试验和非线性流变模型研究

采用分级增量循环加卸载和单级加载方式,对金川有色金属公司 III 矿区二辉橄榄岩试样进行弹黏塑性流变试验,在对流变试验数据进行深入分析基础上,详细研究该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特性,将衰减蠕变曲线分离为黏弹性分量与黏塑性分量,研究各衰减蠕变变形分量的非线性特征,建立定常流动速率及加速蠕变率的应力、时间的拟合函数.根据不同应力水平下的加、卸载蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、黏塑性改进Bingham体串联而成的新的岩石非线性弹黏塑性流变模型,对模型参数辩识,提出非线性元件参数的确定方法.该流变模型具有两个屈服极限且流变元件参数是关于应力和时间的拟合函数,考虑了衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段的非线性特征,能反映不同应力水平下岩石流变规律,尤其能较合理地模拟岩石加速蠕变,从理论上给出非线性弹黏塑性流变模型的松驰方程和三维蠕变方程.利用不同应力水平下岩石蠕变全程试验曲线,对提出的非线性弹黏塑性流变模型进行充分验证.试验曲线与非线性流变模型理论曲线较吻合,显示所建非线性弹黏塑性流变模型的正确性与合理性.     

聚四氟乙烯膜材黏弹性本构关系

为研究聚四氟乙烯(PTFE)膜材的黏弹性本构关系,进行了蠕变试验和应力松弛试验,考虑了初始拉伸速率、初始应力对于PTFE膜材黏弹性性能的影响,并采用常用的黏弹性本构关系模型对试验数据进行了拟合,分析了应力松弛和蠕变之间的相互转化关系。研究表明:PTFE膜材具有明显的黏弹性性能,在设计中应予以考虑;初始应力对膜材料的黏弹性性能影响明显,初始应力越大,黏弹性越明显,而初始拉伸速率的影响相对较小;五元件广义Kelvin模型、Burgers模型、分指数模型能够较好地预测膜材料的蠕变黏弹性性能,而基于金属材料的蠕变-应力松弛转化关系不能直接用于分析PTFE膜材的黏弹性转化关系。     

Viscoelastic constitutive relations of polytetrafluoroethylenecoated fabrics

为研究聚四氟乙烯（PTFE）膜材的黏弹性本构关系，进行了蠕变试验和应力松弛试验，考虑了初始拉伸速率、初始应力对于PTFE膜材黏弹性性能的影响，并采用常用的黏弹性本构关系模型对试验数据进行了拟合，分析了应力松弛和蠕变之间的相互转化关系。研究表明：PTFE膜材具有明显的黏弹性性能，在设计中应予以考虑；初始应力对膜材料的黏弹性性能影响明显，初始应力越大，黏弹性越明显，而初始拉伸速率的影响相对较小；五元件广义Kelvin模型、Burgers模型、分指数模型能够较好地预测膜材料的蠕变黏弹性性能，而基于金属材料的蠕变-应力松弛转化关系不能直接用于分析PTFE膜材的黏弹性转化关系。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

硬脆性岩石热力耦合蠕变损伤模型的研究

为保证地下工程的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变特性具有十分重要的意义。基于西原模型,通过引入热损伤变量考虑塑性黏滞系数的改变,提出一种新的热力耦合蠕变损伤模型,建立了蠕变本构关系,推导了其一维和三维蠕变方程,根据硬脆性岩石蠕变试验结果,拟合获得蠕变力学参数,对模型的可靠性进行验证。     

广义内时本构方程及凝灰岩粘塑性模型

本文依据内变量的不可逆热力学,在内部时间函数广义化基础上,导出了等温、小应变条件下适用于各种各向同性材料的本构方程。传统的塑性、粘塑性及已有的内时本构方程亦可以由此得到,并在此基础上提出岩石的粘塑性模型。该模型能更方便地描述岩石的变形硬化、应变率效应、剪胀等特性。本文提出的本构方程为研究材料的变形性质,探索了一条新的认识途径,对探讨岩石更为本质的本构描述,无疑是有意义的。     

剪切双曲线型等效时间流变模型

为了预测变剪应力荷载下的流变变形,运用热力学内变量连续介质力学和Yin-Graham等效时间法来推导剪切流变模型。首先把Mesri双曲线型蠕变公式推广到耗散空间,在耗散空间绘制黏塑性剪应变与剪应力等效时间线。其次利用Yin-Graham等效时间法建立了黏塑性剪应变速率与等效时间关系方程,获得黏塑性剪应变速率与应力水平和黏塑性剪应变之间的函数表达式。最后利用耗散剪应力等于真实剪应力这个力学关系式,把黏塑性剪应变速率表达式和线弹性本构方程相结合,建立了一维弹黏塑性剪切流变方程,研究了流变方程分别采用绝对等效时间和相对等效时间表示的表达式。基于这个流变方程,获得了三轴固结排水剪切蠕变试验中单级加载和多级加载的剪切流变解。实例表明,剪切流变模型能够较好地模拟软土三轴固结排水剪切蠕变试验成果。     

加载速率变化条件下砂土的黏塑特性及本构模型

 分析并研究饱和的、风干的砂土在平面应变压缩试验条件下的弹黏塑性特征,尤其是黏性特性。加载速率效应、蠕变以及应力松弛都是砂土材料本身黏性的反映,而与超孔隙水压力的消散无关。试验不仅实现了应变率逐步变化加载过程,同时也实现了蠕变加载和应力松弛过程。试验结果表明,在加载应变率发生突变时,对砂土应力–应变关系有明显的影响,呈现出刚性很高、近似于弹性的特性,而后随着应变的进一步增加,在明显屈服之后黏性应力逐渐衰减至基本惟一的应力–应变曲线。类似现象同样也发生在蠕变加载或应力松弛后以一恒定应变率突然重新加载的情况。基于非线性三要素模型框架,针对所观察到的砂土黏性特性,提出一种弹黏塑性本构模型。该模型可以描述砂土在任意加载历史下的黏性效应,包括加载应变率发生任意变化时的应力–应变响应、蠕变以及应力松弛。最后,利用该模型对上述砂土平面应变压缩试验结果进行模拟,所提案的三要素弹黏塑性本构模型能够很好地模拟砂土的黏性特性。     

盐岩蠕变特性温度效应的实验研究

对经历不同温度后的盐岩蠕变特性进行了实验研究,研究了应力水平和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了其稳态蠕变率本构方程。分析结果表明:偏应力和温度对盐岩稳态蠕变率影响较大;稳定蠕变应变率本构方程是作用在盐岩上的应力偏量的幂次函数和能量与温度的指数函数。并从盐岩蠕变模量随蠕变时间的变化规律入手,导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演化方程和用损伤表示的蠕变模量演化方程。     

高温三维应力下鲁灰花岗岩蠕变本构关系的研究

采用中国矿业大学的20 MN高温高压岩体三轴试验机进行了高温三维应力下大尺寸Φ200 mm×400 mm鲁灰花岗岩蠕变特性的实验研究,温度最高达到了600℃,轴向应力最高达到了175 MPa。通过对实验数据的分析,发现高温三维应力条件下静水应力引发鲁灰花岗岩发生蠕变变形,提出了考虑静水应力作用时稳态蠕变率的本构方程,得到了鲁灰花岗岩蠕变本构方程的参数A1,A2,?Q,m,n。研究还发现静水应力下的蠕变和差应力下的蠕变曲线特征相同,同样可以划分为初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段,鲁灰花岗岩的蠕变变形是温度,差应力和静水应力的函数,温度、差应力和静水应力的升高都会加速鲁灰花岗岩的蠕变变形。更多还原     

考虑锚索松弛特性的预应力损失计算模型研究

基于等效应变原理,考虑耦合效应与锚索松弛特性,将锚索自身与周围介质代以松弛组合元件、广义开尔文组合元件,提出了一种新的预应力蠕变损失计算模型,并推导了其特征方程(本构方程、蠕变方程、松弛方程),阐述了锚固力损失与围岩变形之间的计算关系;在材料参数已知的情况下,对比应力应变新模型计算结果与试验测试数据可知:(1)随着锚索张拉控制应力的不断提高,锚索应变测试初值和终值不断增大,呈正相关;(2)应变测试曲线基本遵循"幂函数"趋势,表现为初期加速增长,后趋于平稳增长,最后保持基本水平;(3)蠕变计算新模型较原耦合模型更贴近相似试验测试结果,且应力与应变变化规律相符;研究成果为锚索预应力工程的设计、施工提供了理论支撑和借鉴参考。     

分级卸荷条件下锦屏大理岩流变规律研究

 结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用恒轴压分级卸围压的应力路径对锦屏大理岩开展了室内三轴压缩蠕变试验。首先,详细介绍卸围压蠕变试验的过程,并针对轴向和侧向蠕变规律的差异进行对比分析。然后,研究卸荷应力路径下应力状态与岩石蠕变变形的关系,研究结果表明,应力差是决定试样蠕变量的主要因素。最后,以Burgurs模型作为理论模型,在综合考虑试样整体变形的情况下,采用相关试验结果直接确定三维本构方程的模型参数。通过对锦屏大理岩轴向和侧向蠕变变形规律的对比分析,认为2个方向的蠕变变形规律存在明显差异,仅根据轴向蠕变变形规律确定的三维流变本构不能反映侧向的蠕变变形规律。因此,建议在建立三维本构时,必须考虑试样的整体变形特性。     

规则齿形结构面剪切蠕变本构方程的参数分析

岩体中结构面的蠕变特性一直是岩体力学研究中的一个重点。文章在规则齿形结构面剪切蠕变试验的基础上,分析了剪切蠕变随不同的爬坡角、正应力和剪应力的影响,拟合了剪切蠕变曲线,并将拟合的方程与Burgers模型的本构方程进行了比较分析,讨论了Burgers模型中剪切模量、粘滞系数的变化规律及其影响因素,取得了较为理想的结论,为结构面剪切蠕变本构方程的建立提出了较为合理简便的方法。     

钙芒硝盐岩蠕变特性的研究

 在自然界中,纯钙芒硝是以一种化合物的形式出现的,其分子式为Na2Ca(SO4)2,但在试件内部钙芒硝盐岩与泥岩互相混合,以混合物的形式出现,这就决定了其力学性质的特殊性。在不同的应力水平下,进行了长达100多天的单轴压缩蠕变试验,发现钙芒硝盐岩高应力水平蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率,其蠕变速率在初期和后期比较大,并随时间大致呈U形分布,与NaCl岩盐相比,钙芒硝盐岩蠕变速率及蠕变量均较小。回归出钙芒硝盐岩在不同应力水平下蠕变应变随时间变化的曲线方程。对钙芒硝盐岩的蠕变模型进行初步探讨,通过对蠕变曲线与理论曲线的对比,说明同时包含弹黏塑性的西原模型能较好地反映钙芒硝盐岩的蠕变规律,并对相关参数进行了拟合。     

横观各向同性岩石蠕变性质与本构模型研究

层理的存在使得炭质板岩呈现出横观各向同性性质。开展了水平层理试样和竖直层理试样的三轴压缩蠕变试验,研究了不同层理的炭质板岩在不同加载路径下的蠕变特性,分析了蠕变流动方向特征,发现水平层理试样和竖直层理试样蠕变流动方向差异明显;根据蠕变试验结果,提出了横观各向同性岩石蠕变本构模型,该本构模型由基于广义八面体剪应力的蠕变势函数和非关联流动法则构成,蠕变方程采用基于不可恢复应变的内变量蠕变方程;采用不可恢复应变为内变量来描述炭质板岩的蠕变特性,考虑了初始加速蠕变对初始蠕变的影响;提出了模型参数确定方法,并采用试验数据和文献数据对所提模型与参数求解方法进行了验证。研究结果为了解岩石横观各向同性蠕变特性和丰富岩石力学基本理论提供了基础。     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。     

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律.通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能.在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型.在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型.