岩石黏弹塑性损伤蠕变模型研究

岩石蠕变力学采用在经典元件模型基础上引入非线性元件和蠕变损伤的方法,来解决经典元件模型不能描述岩石整个蠕变过程中的非线性特征问题。首先分析这类方法在模型参数辨识、损伤蠕变方程建立和屈服条件选择等方面的不严谨之处,然后根据非线性流变理论以及损伤理论采用和构建弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏塑性体,并将四者串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、黏性应变和非线性黏塑性应变的损伤蠕变模型。推导岩石在恒应力情况下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到损伤蠕变方程,结合蠕变曲线特征给出简单可行的模型参数辨识方法。最后采用砂岩分级加载单、三轴压缩蠕变试验曲线与理论曲线和预测曲线进行对比来验证模型的适用性。结果表明两者吻合程度较高,黏弹塑性损伤蠕变模型不仅可以精确反映衰减、等速阶段蠕变曲线的非线性特征,而且能够描述岩石在高应力状态下的加速蠕变特征,其适用性得到验证。     

用统一流变力学模型理论辨识流变模型的 方法和实例

 M. Reiner用弹簧、摩擦片和黏壶这3个元件分别模拟岩石的弹性、塑性和黏性,且用其并联组合可组成7个不同的模型。其中与黏壶并联的有4个(包括黏壶本身),称为基本流变力学模型,对应于与时间有关的4种基本流变力学性态。用这4个基本流变力学模型进行串联组合,可以形成15个流变力学模型(包括4个基本流变力学模型和11个复合流变力学模型)。将包含全部4种基本流变力学性态的模型称为统一流变模型,它包括了其他14个模型,也即其他14个模型都是统一流变模型的特例。根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变曲线的特性,可以全面地辨识出与15种流变力学性态相对应的15个流变力学模型,且15个流变力学模型与15种流变力学性态是一一对应的关系,对模型的辨识具有惟一性。虽然,在其他文献中有一些模型与这15个模型有差异,但可以通过等效变换转化成为这15个模型之一。根据所提出的统一流变力学模型及其性质,详细论述了用不同应力水平下的加卸载蠕变试验结果辨识与岩石流变性态对应的流变力学模型的方法,并采用2种岩石的相应蠕变试验结果,给出了辨识其流变力学模型的例子。     

地裂缝带Q_3原状黄土三维蠕变本构辨识方法

"改进西元模型"是由西元体和村山体串联组成,它包含了黏弹性、黏塑性、黏弹塑性三种基本流变力学性态。本文基于统一流变力学模型理论,结合所得"改进西元模型"的性质及蠕变曲线的特征,对蠕变本构方程进行辨识,获得了西安地区地裂缝带Q_3原状黄土在不同应力水平下的一维蠕变本构方程。考虑到室内试验及实际工程问题均为三维状态,将一维本构模型进行推广,得到了三维蠕变模型,并对其本构方程进行求解。结果表明,所选本构方程较为准确地反映了西安地区地裂缝带Q_3原状黄土的流变性能。     

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识.以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究.先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法.然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分.并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法.最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例.     

宁波软黏土流变特性试验及蠕变模型研究

针对现场原状软黏土采用分别加载方法,开展三轴固结排水蠕变试验,研究原状土样的蠕变曲线和应力-应变等时曲线的变化规律;基于Caputo分数阶微分算子理论和Mittag-Leffler函数理论,引入Koeller弹性黏壶元件,建立了修正的Merchant蠕变本构模型,并对试验数据进行拟合分析,结果表明:宁波地区软黏土在达到蠕变强度前,可近似看作非线性黏弹性体;相比传统Merchant模型,修正Merchant模型拟合精度高、误差性小,更适合表征宁波软土的蠕变特性。     

高围压下不同孔隙水压作用时岩石蠕变特性及 改进西原模型

基于高围压下不同孔隙水压作用时细砂岩蠕变试验结果,分析蠕变规律。研究表明：黏弹性模量随孔隙水压增大呈线性递减关系,并根据线性参数随时间变化的数据分布特点,分别用线性函数和幂函数进行拟合,进而得到黏弹性模量随孔隙水压和时间变化的表达式,据此提出一个修正的广义Kelvin模型。根据不同孔隙水压下加速蠕变试验曲线特征,采用指数函数对其拟合,并通过类比的方法引入一个非线性黏性元件,得到一个能反映不同孔隙水压作用下加速蠕变特征的二元件黏塑性蠕变模型,将该模型与修正的广义Kelvin模型串联组成一个新的改进西原模型。基于试验结果,利用优化分析软件1stOpt,对模型参数进行辨识,效果比较理想;对比试验曲线和理论曲线,二者吻合较好,验证了模型的正确性。     

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.     

淤泥质软粘土剪切蠕变方程及流变参数研究

基于淤泥质软粘土粘弹塑性力学性质,利用粘壶元件、弹簧元件及滑块元件分别表征牛顿流动体、虎克弹性体及塑性体,将这3类基本元件通过串联和并联的方式组合成软粘土力学模型,根据虎克定律及牛顿内摩擦定律等推导出软粘土本构方程;通过Laplace变换和Laplace反变换及单位阶梯函数推导出软粘土蠕变方程,采用线性回归确定蠕变方程参数;假定动载为正弦变化剪切力,基于淤泥质软粘土本构方程进一步推导出动载条件下的流变参数。结果表明:所建理论模型力学关系明确,通过推导出的剪切蠕变方程及确定的蠕变参数,可以预估动载条件下该类土的流变特性。     

三峡库区泥质粉砂岩非线性蠕变模型辨识

 针对三峡库区泥质粉砂岩非线性蠕变模型,提出一种可较好描述该类岩石蠕变特性的非线性黏弹性模型,并反演获得模型参数。基于非线性流变力学理论,在T2b2泥质粉砂岩应力–应变关系研究基础上,首先提出一种修正的Kelvin模型并建立该模型蠕变方程;将一种可用阶跃函数表示的开关元件与牛顿体并联建立修正牛顿体,然后将修正牛顿体、修正Kelvin体、Hoek体串联得到可描述岩石非线性蠕变特性的mBurgers模型。最后基于非线性最小二乘理论,结合T2b2泥质粉砂岩单轴蠕变试验结果,对mBurgers模型参数进行回归反演,将反演得到的参数代入模型进行计算,得到的理论曲线与试验曲线相比吻合较好,表明mBurgers模型能较好地描述T2b2泥质粉砂岩的单轴蠕变特性。     

基于Burgers模型的软岩流变相似材料的研究

以精铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,酒精松香溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂,研制出一种新型软岩流变相似材料(IBSRO)。通过正交试验,研究该相似材料各组成成分对其弹塑性参数和Burgers流变模型参数的影响。试验结果表明,该相似材料的单轴抗压强度σ_c,弹性模量E,泊松比μ,黏聚力c,黏弹性模量E_1,E_2以及黏滞系数η_1,η_2均主要受酒精松香浓度和液压油含量影响;酒精松香浓度越大及液压油含量越小,σ_c,E,c,E_1,E_2,η_1及η_2越大,μ越小;内摩擦角φ主要受(铁粉+重晶石粉)/骨料及液压油含量影响,且两者越大,φ越小;初始蠕变率、稳定蠕变率、衰减蠕变时间以及流变比例均随酒精松香浓度增大而减小,而随液压油含量增大而增大。该相似材料的常规弹塑性参数和流变参数的范围均与实际软岩相对应,可模拟软岩的瞬时力学特性与流变力学特性。最后,采用多元线性回归分析提出该材料配比的确定方法,并在软岩盾构斜井的流变模型试验中得到较好应用与验证。