冻结原状砂土分数阶Burgers蠕变模型

为了更好的描述人工冻结砂土的蠕变特性,在Burgers模型的基础上,将分数代数理论与Burgers模型相结合建立了分数阶导数Burgers蠕变模型,对内蒙古地区原状冻土在不同温度和不同加载应力下的单轴蠕变曲线进行模拟,模型参数均由遗传算法全局优化而得。通过对比Burgers模型模拟的结果可以看出分数阶导数Burgers模型能与试验数据严密相关,且所需参数较少,物理意义明确,说明了分数阶导数Burgers蠕变模型能够很好的反映人工冻结砂土的蠕变特性,具有更高的精确性。     

黏土模拟退火分数阶导数Burgers蠕变模型

由于一般的人工冻结土体蠕变规律并不符合简单的胡克定律或牛顿黏性定律,且采用整数微积分本构关系存在元件过多的问题,所以借用了分数阶微积分的诸多优点,并把它结合到经典蠕变模型的构造中,即用分数单元代替Burgers模型中的串联黏壶,构造了一种新的蠕变模型——分数阶导数Burgers蠕变模型。运用该种模型拟合冻结黏土和砂质黏土的单轴蠕变规律,模型的参数均由模拟退火算法全局优化而来,分析了单轴蠕变影响因素并对比了经典模型和分数阶模型的拟合效果,发现了模拟退火算法优化后的分数阶Burgers模型能够恰到好处地反映该种冻结土体的蠕变特性。     

分数阶黏弹塑性蠕变模型试验研究

 现行利用等时曲线求长期强度的方法往往有以下两点不足：一是曲线上拐点不明显,确定长期强度带有一定的随意性;二是试验时间偏短、加载级数偏少,结果不够准确。针对湖北江汉盐岩进行为期约5个月的蠕变试验研究,获得较好的试验结果。试验得出的等时曲线上出现明显拐点,由此确定其长期强度。试验时间长和加载级数多有力地保障了试验结果的精度,可为实际工程提供参考。在前人研究成果基础上,通过两点改进建立新的分数阶黏弹塑性蠕变模型。并从推导过程、拟合结果和理论分析3个方面证实了改进后的模型更加简单、合理。     

西部软岩蠕变特性分数阶导数开尔文模型

蠕变是岩石的固有性质之一,它反映了岩石在外力作用下的应力、应变及时间关系。采用分数阶导数的模型理论,将分数微积分理论和经典模型理论的方法统一起来,使己有的分散的分数阶导数模型工作系统化,使问题的解法系统化。针对传统整数阶微积分本构关系所需元件多等不足,将分数阶微积分关系运用到软岩蠕变计算中。这种新模型理论可以精确地描述物体瞬时弹性、延迟弹性、粘性流、塑性等性质。通过对比经典开尔文模型与分数阶导数模型的模拟结果,发现分数阶微积分理论和整数阶微积分理论统一起来的分数阶开尔文模型能很好地模拟软岩的蠕变规律。     

基于分数阶微积分的岩石非线性蠕变损伤力学模型

借鉴元件组合模型的建模方法,将含分数阶导数的软体元件与虎克体串联,引入能反映应力水平和时间影响的损伤变量,提出一种四元件非线性蠕变损伤模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程.在应力水平较低时,模型能够有效地描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性.利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不但能够很好地描述蠕变曲线中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,而且可以在保证拟合精度的条件下减少模型中的参数,为非线性蠕变模型研究提供了一种新的思路.     

考虑初始应变的成都黏土分数阶导数经验蠕变模型

以成都黏土为研究对象,通过蠕变试验发现黏土变形包括瞬时弹性变形及蠕变变形,蠕变以衰减蠕变和加速蠕变为主,并且在第二级加载后具有显著初始应变。基于分数阶导数理论构建了应变时间的分数阶数学关系,采用双曲线关系构建了应力应变数学关系,并最终建立了考虑初始应变的成都黏土分数阶导数经验蠕变本构模型。通过模型的拟合验证,发现分数阶导数蠕变模型对各组蠕变试验的拟合规律一致,拟合系数均大于0.98,拟合初始应变与蠕变试验数据吻合,分数阶阶数n在前三级加载时均小于1,最后一级加载时大于1,表明在蠕变模型中考虑初始应变参数是有必要的,本文蠕变模型可有效反映成都黏土的非线性蠕变性质。因此,分数阶导数经验蠕变本构模型可有效地描述成都黏土蠕变全过程。     

人工冻土遗传分数阶导数加速伯格斯蠕变模型

了解人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。目前常用的人工冻土蠕变整数阶模型存在元件多的不足,通过将伯格斯模型串联黏壶替换为分数阶导数黏壶,建立分数阶导数伯格斯蠕变模型来模拟稳定蠕变阶段;在分数阶导数伯格斯模型中串联加速元件,建立分数阶导数加速伯格斯蠕变模型来模拟加速蠕变阶段。通过对比分析分数阶伯格斯蠕变模型计算结果与试验值,表明所建立的蠕变模型可较好地反映人工冻土的各阶段蠕变过程,可为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

三轴压缩分级卸荷条件下粉砂岩蠕变特性及蠕变模型

针对深井巷道开挖卸载围岩蠕变特性问题,以袁店二矿西风井马头门巷道粉砂岩为研究对象,基于巷道围岩开挖过程中应力的实际调整路径设定试验加载方式,开展三轴压缩分级卸荷蠕变试验,系统分析粉砂岩在不同围压下的蠕变特性,基于分数阶导数引入黏塑性蠕变启动元件,建立粉砂岩卸荷蠕变模型,并得到试验验证。研究表明：当应力水平低于粉砂岩准破坏应力时,其只呈现衰减和稳态2个蠕变阶段;高于粉砂岩准破坏应力时,则进入非线性加速蠕变阶段直至发生破坏;不同初始围压下粉砂岩发生蠕变破坏的总时长以及非线性加速蠕变破坏的启动时间均明显不同;粉砂岩试样轴向蠕变变形与初始围压正相关。研究提出的蠕变模型具有参数相对较少,易于引入数值分析软件等优点。对今后分析该类岩层井巷施工卸载后围岩稳定性具有一定的应用价值。     

考虑温度效应的花岗岩蠕变损伤本构关系研究

 为了解核废料处置库围岩在不同温度下的蠕变损伤特性,基于不同温度(20 ℃～300 ℃)下花岗岩单轴抗压蠕变的试验结果,分析温度对花岗岩整个蠕变损伤过程的影响特征,认为温度对花岗岩的瞬时弹性模量产生热损伤并加速花岗岩的后续蠕变损伤过程。基于西原模型,引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的蠕变损伤变量,建立温度作用下花岗岩的蠕变损伤本构模型。通过不同温度下花岗岩的蠕变试验数据对建立的蠕变损伤模型参数进行识别,得到不同温度下蠕变损伤模型的材料参数。通过比较蠕变损伤模型的理论结果和试验结果发现,该模型能够很好地反映花岗岩不同阶段的蠕变特性,表明该模型的合理性和正确性。分析模型参数随温度的变化规律,结果表明：随着温度的上升,花岗岩的蠕变损伤破坏时间迅速减小,并满足负指数衰减规律;随着温度的上升,花岗岩的蠕变阶段的破坏特征从脆性向延性转变,其破坏特征参数满足负指数增加规律;随着温度的上升,花岗岩的松弛时间迅速减小。     

软岩蠕变损伤特性的试验与理论研究

 在高地应力软岩隧道修建过程中,由于围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性。岩石的蠕变损伤与其内部微裂纹的延伸和扩展密切相关,宏观表现为蠕变过程中的体积扩容,通过对岩石扩容过程中损伤耗散能变化规律的分析,建立蠕变损伤演化方程,通过引入蠕变损伤因子对ABAQUS软件自带的蠕变模型进行修正,得到非线性蠕变损伤模型。应用所建立的蠕变损伤模型,对宜巴高速泥质红砂岩的三轴蠕变试验结果进行反演,结果表明,该模型可以很好地反映高地应力软岩在蠕变中的减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个阶段。     

高温作用下花岗岩三轴蠕变特征的实验研究

采用中国矿业大学的"20MN高温高压岩体三轴试验机",对Φ200mm×400mm大尺寸花岗岩试件在高温下的蠕变特征进行了试验研究。介绍了三维应力作用下花岗岩在高温条件下的蠕变试验方法和结果,结合理论与试验结果分析,发现了花岗岩在300℃时轴压94MPa围压75MPa时花岗岩经历蠕变的第一阶段和第二阶段,蠕变变形逐渐停滞,呈现明显的稳态蠕变的特征;在400℃,轴压125MPa围压100MPa时,呈现明显的非稳态蠕变特征。试验还揭示了花岗岩的蠕变性随温度和应力的升高而增强,蠕变性态转变的温度门槛值为300℃～400℃。试验结果对核废料的深埋处置长久安全性,地热能的长期稳定开发都有重要的指导意义。     

COx黏土岩三轴压缩蠕变特性及速率阈值试验研究

 黏土岩具有低渗性和自我裂缝修复能力等优点,被用于高放废物地质处置的候选基岩。出于高放废物处置库的长期性及高安全性要求,研究黏土岩的蠕变破坏特征显得极其重要。通过一系列黏土岩的单级三轴压缩蠕变试验,获得Callovo-Oxfordian(COx)黏土岩较为精确的蠕变速率阈值范围。试验结果表明,发生蠕变破坏的蠕变速率阈值与黏土岩的湿度及所处围压等因素有关。总体上,当轴向蠕变速率低于2.5 µε/h,该类黏土岩很难发生蠕变破坏;但若高于58 µε/h,则黏土岩极易发生加速蠕变破坏;而处于两者之间的速率值,目前试验尚无明确结论。该阈值可用于在稳定蠕变阶段判断黏土岩是否会出现加速蠕变破坏。     

Temperature-controlled triaxial compression/creep test device for thermodynamic properties of soft sedimentary rock and corresponding theoretical prediction

In deep geological disposal of high-level nuclear waste,one of the most important subjects is to estimate long-term stability and strength of host rock under high temperature conditions caused by radioactive decay of the waste.In this paper,some experimental researches on the thermo-mechanical characteristics of soft sedimentary rock have been presented.For this reason,a new temperature-controlled triaxial compression and creep test device,operated automatically by a computer-controlled system,whose control software has been developed by the authors,was developed to conduct the thermo-mechanical tests in different thermal loading paths,including an isothermal path.The new device is proved to be able to conduct typical thermo-mechanical element tests for soft rock.The test device and the related testing method were introduced in detail.Finally,some test results have been simulated with a thermo-elasto-viscoplastic model that was also developed by the authors.     

砂岩直接拉伸蠕变特性及 Burgers 模型的改进与应用

应用自行研制的岩石直接拉伸装置对红砂岩进行了单轴直接拉伸蠕变试验,试验结果表明,在低应力状态下砂岩的直接拉伸蠕变由衰减蠕变和稳态蠕变组成,高应力状态下砂岩直接拉伸出现历时较短的加速蠕变阶段。在对蠕变特性分析的基础上对 Burgers 蠕变模型进行了改进,引入了一个非线性黏塑性体,并基于 BFGS 算法对拉伸作用下蠕变试验结果进行直接拟合。结果表明,基于 BFGS 算法的改进 Burgers 蠕变模型理论曲线与试验曲线吻合效果较好,引入模型的非线性黏塑性体其黏性系数 η _N 的初始值较大（ 10¹⁹ 以上）,该非线性黏塑性体在砂岩的加速蠕变阶段起到主导作用;改进 Burgers 模型不仅可以描述砂岩直接拉伸状态下的衰减蠕变和稳态蠕变阶段,而且可很好地描述砂岩加速蠕变过程。     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。     

土工布加筋土的三轴蠕变试验研究

 基于自行研发的大尺寸三轴蠕变试验仪,开展不同围压、加筋层数的素土和加筋土的三轴蠕变试验,得到不同偏应力、不同加筋层数下土体的蠕变特性和加筋对土体加固的机制,提出一种可以描述加筋土“应力–应变–时间”关系的PH经验模型,得到所获取的模型参数与加筋层数和偏应力的关系;并基于Burgers元件模型,建议一种加固效果系数来评价加筋前后对土体刚度的影响程度,结果表明：随着加筋层数的增加,其加筋效果呈线性增加,与高填方工程中以增加压实度的方法来减小工后变形相比,在填料中增加筋材具有更佳效果。     

考虑结构性的软岩热弹塑性本构模型研究

 在核废料贮存、地热和深部采矿等领域中,温度对软岩力学特性的影响不容忽视。基于上负荷面和温度等效应力概念,提出一个考虑结构性的软岩热弹塑性模型。该模型比上负荷面模型仅多一个参量,即线性热膨胀系数。计算分析及其与试验结果对比表明,该模型既能够统一描述软岩热增强和热减弱2种现象。软岩初始结构性愈强,强度愈大,且初始结构性的变化可使软岩在热增强和热减弱之间相互转换。无论热增强或者热减弱,线性热膨胀系数越大或者温度越高,结构性状态变量的消散均会加快;并且,当线性热膨胀系数和温度均较高时,这种加速趋势会更为显著;相较于热减弱和热增强情况下的结构性更容易消散,即消散速率更快。     

An analytical model for 3D consolidation and creep process of layered fractional viscoelastic soils considering temperature effect

The behavior of long-term deformation of saturated soil under external loads has been one of the research focuses in geological engineering and geotechnical engineering. The temperature change, especially in the fields of geological radioactive waste disposal and geothermal system, usually significantly influence the consolidation and creep process of soils. This paper presents an analytical three-dimensional (3D) model for investigating the consolidation and creep behavior of layered soils considering temperature effect. Based on the analytical layer element elastic solution, fractional calculus theory and elastic-viscoelastic correspondence principle, an analytical 3D model is built by introducing the coefficients of thermal expansion and viscosity varying with temperature into the fractional Merchant model (FMM). Verifications against published analytical and numerical results are provided, followed by extensive parametric studies to investigate the effects of type of viscoelastic model, temperature change, fractional order and viscosity of FMM, layered characteristic of soils on consolidation and creep process. It’s evident that the present model predicts long-term behavior of layered viscoelastic soils well and can be used to evaluate the effect of temperature change on consolidation and creep process in geological engineering and geotechnical engineering.