考虑含水率与干湿冻融影响的膨胀土蠕变损伤模型二次开发及工程应用

【目的】为了反映北疆供水一期工程膨胀土渠坡的浅层蠕变破坏特征，揭示明渠水位周期性变化和干湿-冻融循环作用对浅层膨胀土渠坡蠕变力学行为的影响规律，【方法】根据已有相关蠕变试验数据，考虑含水率与干湿-冻融循环作用两个因素对膨胀土蠕变特性的影响，加入非线性元件的同时引入时效损伤函数反映膨胀土非线性蠕变变化规律，从而建立考虑含水率和干湿-冻融循环作用的膨胀土蠕变损伤本构模型。基于FLAC^3D软件计算平台，使用C++语言实现该模型的二次开发，利用该模型对相关室内蠕变试验和北疆供水一期工程膨胀土渠坡的蠕变过程进行数值模拟计算，验证该模型二次开发的正确性与适用性。【结果】结果显示：膨胀土蠕变损伤模型能够有效地反映渠坡浅层蠕变变形，渠底、渠坡中部和顶部位移量分别为13.21 cm、10.8 cm和4.8 cm,与实际监测数据契合度分别为94.6%、96.4%和91.6%,良好地反映了膨胀土渠坡停水期中浅层蠕变特性。【结论】结果表明：该模型能很好地描述浅层土体含水率与干湿-冻融循环作用次数对其蠕变特性的影响，且相较于传统Burgers模型，该模型能很好地描述土体的加速蠕变阶段。研究...     

弹塑性损伤蠕变模型的有限元数值实施

利用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ为平台,采用隐式应力积分回映算法编制了ＵＭＡＴ子程序。对不同围压下的三轴压缩试验和蠕变试验进行有限元数值模拟,并与试验结果进行对比分析,结果表明所编写的本构模型数值模拟结果与试验结果非常接近,可以有效反映软岩的力学特性,丰富了ＡＢＡＱＵＳ的材料库。采用该模型对地下开挖进行数值计算,得到了岩体表面的位移关系和洞口顶部的下沉随时间的变化规律,结果表明该子程序是正确和可信的,可以为地下工程分析提供合理的建议。     

卵石土蠕变本构模型及其工程应用

卵石土是岩土工程建设中的常用材料,由于针对其流变力学特性的研究较少,导致无法评价该种材料的长期稳定性。采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,针对卵石土开展了室内三轴蠕变试验,对卵石土蠕变的有关力学问题进行了探讨,分析了卵石土蠕变与时间、应力状态的关系,并提出了11参数卵石土蠕变的数学表达式及相应的参数指标。将该本构模型嵌入到ABAQUS软件中,计算了某大桥锚碇下覆地基的长期沉降变形。结果表明,提出的本构模型可以很好地描述卵石土的流变特性。与锚碇沉降变形监测结果相比,蠕变加速变形阶段的沉降计算结果偏大,蠕变稳定阶段的沉降计算结果偏小。研究结果可为卵石土的长期变形计算提供相关参考。     

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。     

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。     

损伤接触面本构模型研究

通过接触面试验研究,结合损伤理论,建立了损伤接触面本构模型。该接触面模型可以反映接触面剪应力随着剪切位移变化的规律,并可反映法向压力对剪切应力的影响以及接触面剪切位移变化而产生的损伤。接触面数值计算结果与试验结果基本吻合,验证了该本构模型的合理性和有效性。     

基于分数阶微积分的Q2黄土含水损伤蠕变模型

为探索含水Q₂黄土的蠕变特性,对Q₂黄土进行不同含水状态下的三轴蠕变试验,试验结果表明随着含水率的增高,Q₂黄土的流变性能增强。基于分数阶微积分构造的软体元件可描述理想的固体与流体之间材料性质的特性,选用包含软体元件在内的四元件非线性蠕变模型对试验数据进行回归计算拟合求参,并对不同含水率下的模型参数进行分析。结果显示瞬时变形模量E_H与黏弹性系数ξ₁均随含水率增加呈指数形式递减;引入含水损伤变量D_(ω),计算得出各蠕变参数含水损伤演化方程,进而建立考虑含水损伤的非线性蠕变模型,通过应用试验数据对其进行验证,结果表明基于分数阶微积分的含水损伤蠕变模型能够有效地描述Q₂黄土的整体流变特征,模型具有较好的应用前景。     

含水砂岩三轴蠕变力学特性试验研究

巷道顶板在水的作用下具有较强的蠕滑特性,对矿井开挖与生产造成巨大威胁。采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机开展巷道顶板砂岩三轴压缩蠕变试验,研究砂岩在不同含水条件下的蠕变力学特性。试验结果表明:①随着饱水时间的增长和应力水平的提高,瞬时应变和蠕变量都呈递增趋势;②随着含水状态的增强,初始蠕变速率和稳态蠕变速率都逐渐增大,稳态蠕变速率与应力水平呈幂函数关系;③对比分析2种不同的长期强度求取方法,天然状态、饱水1 d和饱水5 d条件下砂岩的长期强度分别为其瞬时强度的64.12%,62.08%,59.34%,砂岩在水的作用下长期强度衰减加剧。     

基于损伤演化的半均质砂岩本构模型研究

为了对受载岩体破坏过程的损伤演化规律进行探究,利用三轴试验仪对半均质砂岩进行三轴压缩试验,并布置声发射(AE)监测仪,对砂岩变形破坏全过程进行试验研究。分析了不同围压下砂岩三轴压缩各阶段的声发射特征,提出了基于AE事件点数的损伤变量,分别假设损伤演化方程服从韦伯分布和对数正态概率分布,建立了以AE事件点数为损伤变量的损伤演化模型,并引入修正系数对损伤变量D进行修正。结果表明围压越大,声发射活动越弱,围压能够抑制试样内部裂纹的产生和发展,增大试样强度,从而延缓其宏观破坏时间;砂岩的损伤发展主要经过4个阶段,即初始损伤阶段、损伤稳定发展、损伤加速阶段和破坏后损伤阶段。通过对韦伯分布和对数正态分布建立的声发射损伤模型进行比较,发现对数正态分布更适用于描述半均质砂岩的声发射现象。     

含初始损伤冻结砂岩动态破坏机理及损伤本构关系

为掌握白垩系冻结砂岩动态压缩破坏机理,借助分离式霍普金森压杆对-30 ℃饱水砂岩开展不同应变率单轴冲击试验,结果表明:冻结砂岩动态损伤经历“线弹性变形、微裂纹演化、裂隙非稳定扩展、应变软化”4个阶段,损伤来源于初始宏细观缺陷与新生裂隙的交互演变,动态增长因子变化表明砂岩强度和变形的应变率强化效应显著;初始损伤由宏细观缺陷累加构成,不同尺度损伤缺陷耦合形成动态总损伤;单轴冲击压缩下岩石损伤演化呈正交异性,基于各向同性方程修正得到砂岩动态损伤本构关系,临界损伤是具备初始损伤、动弹性模量、动态抗压强度及峰值应变等指标特性的综合量;理论结果与试验曲线吻合良好,决定系数均＞0.910,能较好反映冻结砂岩峰前段强度特征。     

基于AE统计模型的砂岩蠕变试验研究

为分析水溶液对砂岩蠕变特性的影响,利用RLJW-2000岩石流变伺服仪对3种含水率下的砂岩进行了单轴长期力学行为研究,并利用PAC声发射(AE)监测仪对砂岩试验全过程进行声信号采集。试验结果表明:砂岩在长期荷载下,表现出应变硬化特征,有明显的蠕变稳态阶段,伴随加载的进行,蠕变速率随之增大;随着含水率的增加,相同应力等级下的蠕变速率随之增大。振铃计数率与蠕变速率具有相同的变化趋势,且累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线两者走势基本相同。在假设试验材料服从Weibull统计分布的前提下,通过AE事件数表示岩石的损伤程度,推导出了基于AE事件点的损伤演化方程,相同应力水平下,高含水率砂岩内部损伤发展较低含水率快。比较蠕变曲线和损伤变量曲线的加速临界时间点,发现基于损伤变量得到的临界时间点相对蠕变加速时间点较为提前,说明利用声发射来预测蠕变破坏时间更为准确,这对于实际工程中的灾害防治工作有着重要作用。     

干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩损伤演化及本构模型研究

干湿循环和动载耦合作用会导致煤矿岩石物理力学性质的劣化,引起地下岩体工程结构的破坏,诱发煤矿地下工程地质灾害和工程事故。基于纵波波速变化和Weibull分布统计损伤理论,推导了干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩的损伤演化方程,探讨了动弹性模量取值方法对损伤演化的影响,发现以动态应力-应变曲线30%与70%峰值应力连线的斜率作为动弹性模量更能反映出本次试验砂岩的损伤演化规律。在此基础上,分析了干湿循环次数对总损伤变量和总损伤率演化的影响,得出干湿循环与动载耦合作用后砂岩的总损伤变量随着干湿循环次数的增加而增大,总损伤率随应变增长先增加后减小;建立了干湿循环和动载耦合作用下砂岩的动态本构模型并对其进行了验证,以期为深部地下岩体工程稳定性分析提供依据。     

考虑含水损伤的Q2黄土非线性蠕变模型研究

对Q2黄土进行不同含水状态下的三轴蠕变试验,结果表明,随着含水率的增高,Q2黄土的流变性能增强。根据试验曲线形态特征,选用一个广义Kelvin模型串联一个非线性黏塑元件组成非线性黏弹塑性模型(改进的西原模型)。应用改进的西原模型对试验数据进行拟合求参,结果显示瞬时变形模量EH、黏弹性变形模量EK、黏弹性黏滞系数ηK随含水率增加呈指数形式递减。引入含水损伤变量D(ω),计算得出各蠕变参数含水损伤演化方程,进而建立考虑含水损伤的非线性蠕变模型。应用试验数据对其进行验证,证明考虑含水损伤的非线性蠕变模型能够有效的描述Q2黄土的整体流变特征。     

ABAQUS有限元分析软件中Duncan-Chang模型的二次开发

以ABAQUS用户子程序UMAT为基础,利用Fortran编程语言,开发研制了Duncan－Chang模型接口程序。通过数值检验表明,所研制的接口程序开发思路正确,可以用于分析实际工程问题。