周期荷载下岩石分数阶黏弹塑性本构模型研究

为研究周期荷载下岩石疲劳变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换西原模型黏塑性体中的一般黏壶,并在西原模型中串联一个黏性元件,分别建立了可描述周期荷载下岩石变形规律的一维和三维分数阶黏弹塑性本构模型。在高动应力状态下,模型为反映岩石减速、等速、加速3个变形阶段变形规律的岩石分数阶黏弹塑性疲劳本构模型;反之,则为反映岩石减速、加速变形规律的Burgers模型。对既有的岩石疲劳试验结果拟合表明:基于分数阶黏弹塑性模型所建立的岩石疲劳本构方程可较好地描述周期荷载下岩石各种变形特征,拟合系数在0.96以上。研究成果可丰富岩石力学理论,为相关研究提供参考。     

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。     

基于分数阶微积分的岩石蠕变损伤本构模型

为了反映岩石蠕变特性,采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机进行砂岩三轴压缩蠕变试验,基于岩石蠕变的阶段特征,提出通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。依据连续损伤理论对弹性体和分数阶黏塑性体进行改进,通过SN元件改进分数阶软体。利用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非定常黏塑性体,构建了新的三元件蠕变损伤本构模型,并用遗传算法得到了模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,表明所建模型具有合理性和适用性,可为红层边坡流变特性的研究提供一定参考。     

考虑温度效应的花岗岩分数阶蠕变模型研究

温度是影响岩石蠕变特性的一个重要因素,不同温度影响下岩石蠕变行为对深部地下工程、高放射性核废料处理工程等有着显著影响,研究温度—应力耦合作用下的岩石蠕变力学行为具有重大意义。在分析20℃~300℃花岗岩蠕变试验数据的基础上,引入能反映岩石黏弹性的分数阶蠕变元件,并通过元件组合建立了考虑温度效应的花岗岩黏弹塑性蠕变本构模型,进而获得了岩石非稳定蠕变阶段前参数随温度变化的函数。同时开展了蠕变参数的敏感性分析,得到了各参数对蠕变模型的影响规律。研究表明：随着温度增加,蠕变参数的变化均会影响花岗岩进入稳态蠕变的时间,其中黏性系数影响较大。     

一种新的岩石黏弹塑性流变模型

根据岩石流变力学特性,提出了一个能描述岩石加速流变阶段的黏塑性流变模型。然后,将这个岩石黏塑性流变模型与5元件黏弹性剪切流变模型串联起来,构成了一种新的岩石黏弹塑性流变模型。利用花岗岩剪切流变试验曲线对该岩石黏弹塑性流变模型进行辨识,获得了模型的流变参数。将岩石黏弹塑性流变模型拟合结果与剪切流变试验结果进行比较,结果表明岩石黏弹塑性流变模型能够较好地描述岩石的加速流变特性。     

岩石卸荷力学特性及本构模型研究进展

近年来,国内外一些学者基于围压卸荷试验,对岩石的卸荷力学特性和本构模型进行了大量的研究,取得了丰硕的成果。卸荷条件下岩石的强度特征、变形规律和破坏模式与加载状态相比有着显著的区别,通过围压卸荷试验可以发现,卸荷条件下岩石张性裂缝发育,扩容显著,通常呈张剪性破坏,且卸荷速率、围压和应力路径等因素均对其变形破裂机制有着较大的影响。卸荷条件下岩石的本构模型通常分为唯象学本构模型和细观力学本构模型,唯象学模型忽视了岩石卸荷渐进破坏的演化机制,细观力学本构模型则未考虑微裂纹群及数学简化引起的误差等,这些问题使得未来的卸荷岩石力学研究工作充满了机遇与挑战。     

基于等幅周期荷载下软岩Bingham本构模型的研究

为建立一种描述等幅周期荷载下软岩应变特性的本构模型,将Bingham模型中的常值黏壶元件替换成与循环次数相关的变系数黏壶元件,常值弹性元件替换为随周期荷载循环次数的增大而衰减的非定值弹性元件,即可得到反映周期荷载下软岩各种应变规律的Bingham本构模型。当循环荷载应力上限值σmax大于岩石的临界强度σs时,模型为可反映软岩3个应变阶段的改进4参数Bingam模型;反之则为反映软岩前两个应变阶段的非常值2参数Hook模型。将周期荷载分解为一个定值荷载和一个平均应力值为零的周期荷载,基于流变力学理论给出了定值荷载作用下基于该模型的本构方程式,再根据黏弹性力学理论,给出了平均应力值为零的周期荷载下基于该模型的本构方程式,最后将已获得的本构方程式叠加即得到周期荷载下软岩本构方程式。结果表明:所建立的本构方程式可较好描述周期荷载下不同软岩各类应变特征,对各类软岩的应变曲线拟合的相关系数均在0.868以上,且同一种岩石模型中弹性元件系数初始值随周期荷载的动应力幅值的增大而减小,岩石加速应变速率参数随动应力幅值的增大而增大。     

水压力作用下岩石统计损伤本构模型研究

为了探究水压力对岩石损伤的影响,在多孔材料弹性理论框架内,利用有效应力原理,结合连续损伤力学和统计理论把霍克-布朗(Hoek-Brown)准则作为微元体强度破坏准则,建立水压力作用下的岩石统计损伤本构模型;并根据残余强度和峰值强度的关系对损伤变量进行修正,使模型能够更好地反映岩石峰后阶段的软化特征。通过室内试验进行模型验证和参数分析,结果表明:建立的模型能够较好地反映水压作用下岩石的应力-应变关系;随着水压力的增大,模型参数n呈增大趋势,岩石的脆性度增高,参数F₀呈减小趋势,岩石的强度降低;峰值点法在确定模型参数时优于曲线拟合法。研究成果对于水压力作用下岩体工程的安全分析有一定的参考价值。     

基于Burgers模型的大型堆山工程沉降预测

对镇江市堆山工程中的地基土进行了室内一维固结蠕变试验,发现其流变特征符合Burgers流变模型,再将模型的蠕变方程转化成沉降计算的经验模型。根据实测沉降数据对此经验模型进行拟合,得到模型参数,且拟合精度较高,不仅避免了流变模型参数反演的繁琐性,还可以提高预测模型的精度。最终将经验模型用于堆山工程的后续沉降预测,与其他预测方法比较发现,基于Burgers模型的沉降预测方法更接近工程实际,考虑土体的流变特性是必要的,也为类似工程提供参考。     

黏塑流变本构模型力学参数敏感性分析

在岩体流变数值模拟中,岩体本构模型力学参数成为计算结果准确性的一个关键因素。在前期研究的基础上,开展了黏塑流变本构模型的力学参数敏感性分析。以3个围压下整体参数辨识结果作为基准值,将此基准值中的每一个参数分别增加20％,40%和减少20％,40％,其他参数保持不变,先推导流变本构计算应变值,然后求得计算应变值与试验应变值的差值,根据该差值求得总误差相对变化量,以此总误差相对变化量来衡量因参数变动而使得计算应变值偏离试验应变值的趋势和程度。在参与敏感性分析的6个参数中,E的敏感性最高,m,β 2个参数分区段具有较高敏感性,γ,n 2个参数次之,参数g敏感性最差。通过6个参数敏感性分析,明确了该本构模型中力学参数对计算结果准确性的重要程度,从而为参数取值提供了参考。     

化学腐蚀作用下岩石的动态性能及本构模型研究

根据深部地下水的化学成分,配制了不同离子、不同pH值的化学溶液,并将围岩岩石试件置于上述溶液中养护,然后采用霍普金森压杆试验系统(SHPB)进行动态压缩试验,分析化学腐蚀对岩石动态性能的影响。结果表明:化学腐蚀对围岩的动态力学性能具有较大的影响;化学腐蚀作用下围岩的动态性能下降,且化学溶液pH值越低影响效果越明显。在试验结果的基础上,基于损伤理论建立了化学腐蚀作用下岩石的动态本构模型。研究成果可为深部岩体动力学的深入研究、深部工程的围岩支护及稳定性控制提供参考。     

高温损伤后岩石动态损伤本构模型

为了研究高温损伤后岩石动态本构模型,通过组合建模的方法,引入裂隙体,并与损伤体串联,经理论推导,最终建立了高温后岩石全过程动态本构模型。随后开展了25~600 ℃温度处理后的花岗岩动力冲击试验。研究结果表明:随着温度升高,花岗岩动态峰值应力减小,弹性模量则先增大后减小;核磁共振测试结果能够定量描述高温引起岩石内部孔隙以及孔径分布,T2谱面积随温度升高呈现指数增长规律;试验结果验证了高温损伤后岩石动态损伤本构模型的适应性,理论计算结果与试验数据相关性达0.98以上;裂隙体参数a和b控制了应力应变曲线压密段的曲线形状,且曲线对参数a更为敏感。     

考虑残余强度和阈值影响的岩石弹性损伤统计模型

基于统计学理论和损伤理论,考虑岩石的残余强度和损伤阈值影响,建立了三轴压缩条件下岩石损伤统计模型。以损伤模型为基础,利用岩石在低围压作用下应力应变的极值特性,导出了模型参数的统一求解方法。通过与试验数据的对比和验证发现:以Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则计算岩石微元强度比以轴向应变函数计算岩石微元强度能更好地反映岩石的力学特性,说明了岩石的破坏进程与其应力状态密切相关;为考虑残余强度,引入损伤变量修正系数,在此基础上提出一种求解该修正系数的新方法,从而使得模型得出的理论曲线能很好地接近试验数据;以屈服点的微元强度为损伤阈值点,避免了损伤系数在低荷载下不在[0,1]之间的情况。最后通过分析岩石损伤变量的变化过程,证明了该模型可以很好地反映三轴受压状态下岩石的应力-应变关系。     

岩体渗流-应力-温度三场耦合的连续介质模型

进行岩体渗流一应力—温度三场耦合研究，是为了更客观地反映作为人类工程活动地质背景的岩体的本质属性。从岩体渗流—应力—温度三者两两之间的相互作用关系出发，分别建立了应力和温度影响下的渗流场模型、沙流和温度影响下的应力场模型、渗流和应力影响下的温度场模型，耦合三者成为岩体渗流—应力—温度三场耦合的连续介质模型；并对此三场耦合模型及其数值解法进行了讨论。     

基于应力波法的锚杆(索)锚固质量动力检测数值模拟研究

锚杆(索)大量应用于边坡工程加固,为保证锚杆(索)发挥作用,一般采用应力波法对其锚固质量进行检测,检测的2个主要指标是:锚杆(索)长度和缺陷段的位置。为此,在ANSYS/LS-DYNA中建立锚固体应力波动力分析模型,将小锤对锚杆(索)的敲击作用等效为小锤按一定激发速度v₀与锚杆(索)的碰撞,并在锚杆(索)端头断面中点采集应力波信号。经算例与理论研究成果对比,验证了数值模型的可行性,同时,分析了小锤弹性模量和激发速度v₀的取值对应力波信号的影响,研究了应力波法判别缺陷段位置的准确性,及对比了端头激发与端头和底端同时激发这2种方式在锚杆(索)质量检测中的适用性。研究结果表明:①小锤弹性模量的增大仅对初始应力波信号有增强作用,对经锚固体底端一次反射回的应力波信号影响不大,而小锤激发速度v₀的增大对初始和经锚固体底端一次反射回的应力波信号均有利,且与后者成线性比例关系;②应力波法对锚固体缺陷段位置的判别较为可靠,且缺陷段越饱满判别准确性越高; ③端头和底端同时激发方式缩短了反应锚固体断面变化处和底端位置的应力波信号时间,因而有利于工程应用。     

岩体原位试验新技术在水工复杂岩体工程中的应用综述

为解决复杂岩石力学问题,研发了复杂应力路径岩体高压真三轴原位试验技术及流变试验技术、岩体原位大尺度模型试验技术以及岩体破裂扩展精细探测技术等岩体原位试验新技术,并将其应用于白鹤滩柱状节理玄武岩修建高拱坝适宜性、锦屏二级引水隧洞高应力条件下深埋岩体力学特性、乌江构皮滩垂直升船机软岩地基长期变形预测等水工复杂岩体工程关键技术问题的研究。主要研究成果为:①针对高地应力岩体和地下洞室开挖复杂应力路径岩体的变形破坏问题,获得了柱状节理玄武岩、深埋大理岩考虑中间主应力影响的非线性强度准则的强度参数;②针对高应力、复杂应力路径条件下复杂结构岩体的流变特性问题,获得了深埋大理岩流变参数;③针对柱状节理玄武岩松弛特性及预应力锚固防松弛措施,实现了柱状节理玄武岩开挖松弛过程以及岩体真三轴试验破坏过程声发射精细探测;④针对构皮滩超高垂直升船机桩-软岩复合地基长期变形问题,获得了桩-软岩复合地基流变参数。该成果提升了岩体原位试验技术水平,发展了岩石力学基础理论,对解决水工复杂条件下的岩石力学新问题提供了技术支撑。     

回归应力场下的大型地下岔管围岩稳定及衬砌结构分析

根据实测点反演研究区域的初始应力场是地下洞室围岩稳定性分析的首要工作。采用有限元模拟中常用的多元线性回归与逐步回归相结合的方法,结合某水电站地下尾水岔管段区域地形地质条件回归得到初始应力场,并在较准确的回归应力场下,研究该大型地下岔管在完建、运行和检修工况下衬砌厚度对围岩稳定及衬砌结构本身的影响,提出较合理的支护措施。