沥青混合料非线性黏弹塑性蠕变模型

本研究采用非线性黏弹塑性蠕变模型,更好地来模拟沥青混合料蠕变全过程。该模型由Burgers模型和非线性黏塑性元件串联而成。通过对沥青混合料的单轴压缩蠕变实验,得到不同应力作用下应变随时间的变化规律以及不同温度条件下沥青混合料蠕变柔量随时间的变化规律。利用origin软件对实验数据进行拟合,得到非线性黏弹塑性蠕变模型的六个力学参数。模型模拟结果与实验结果一致,表明本文所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型的正确与合理性。此模型可较好地描述沥青混合料加速蠕变阶段,弥补了Burgers模型的不足。     

黏土蠕变非线性特性及其分数阶导数蠕变模型

针对黏土蠕变的非线性性质,以成都黏土为研究对象展开蠕变试验,发现黏土变形包括瞬时弹性变形、衰减蠕变变形、稳态蠕变变形和加速蠕变变形;黏土长期弹性模量随时间和应力的增加非线性软化;黏滞系数随应力的增加非线性软化,随时间的增加非线性硬化。基于流变学理论、分数阶微积分理论和Harris衰减函数,分别构建了分数阶导数元件、非线性弹性元件和非线性黏滞元件,从而建立了形式简单、参数较少和概念清晰的非线性分数阶导数蠕变模型。将非线性分数阶导数蠕变模型和Burgers蠕变模型进行对比拟合分析,发现非线性分数阶导数蠕变模型各阶段的拟合结果更好,对黏土非线性蠕变的描述更合理,可准确地反映黏土蠕变全过程,表明了所建立非线性分数阶导数蠕变模型的科学合理性。     

沥青砂粘弹特性实验研究

进行了沥青砂在不同加载应力和不同实验温度下单轴压缩蠕变实验,得到其在不同实验条件下的蠕变曲线,选择Burgers模型,编制非线性拟合程序,求得模型参数值,通过相关性分析,得到了模型参数与温度和应力函数关系式,分析了模型参数对沥青砂蠕变性能的影响,最后进行模型预测值与实验结果对比,结果表明Burgers模型能够描述沥青砂蠕变过程的第一阶段、第二阶段,反映了其粘弹特性。     

基于Burgers模型对缓冲材料EPE压缩蠕变行为的分析

目的 为解决缓冲材料发泡聚乙烯因蠕变引起保护失效的问题,基于Burgers模型,分析载荷、应力保持时间对EPE压缩蠕变行为的影响。方法 根据不同应力下的不同保持时长压缩蠕变试验结果,拟合EPE不同应力下的压缩蠕变试验数据,分析不同应力、应力保持时间下的EPE蠕变过程中蠕变总量、弹性应变、黏弹性应变和黏性应变的变化规律。结果 Burgers四元件力学模型对EPE不同应力下的压缩蠕变实验数据拟合度为0.992 4～0.998 9。在同一应力保持时间下,随着应力从3.3 kPa增加到5.3 kPa,弹性模量E₁、弹性模量E₂、黏度系数η₂、黏度系数η1都逐渐减小,蠕变总量、黏性应变呈非线性显著增加,弹性应变、粘弹性应变呈线性微量增加;在同一应力下,随着应力保持时间从20 d增加到120 d,弹性应变一直保持不变,占蠕变总量的比例降低,粘弹性应变先微量增加后保持不变,占蠕变总量的比例降低,黏性应变增加,占蠕变总量的比例增加。结论 Burgers模型可较准确地模拟EPE不稳定蠕变阶段和稳定蠕变阶段的压缩蠕变行为;应力的增加导致EP...     

考虑时效损伤劣化的变参数非线性蠕变损伤模型

应力长期作用下岩体内部损伤不断累积、扩展,导致部分承载单元丧失承载能力,使得岩体内部真实应力强度大于表观应力。该文以流变学理论为基础,将损伤因子引入弹性元件及黏性元件中,给出弹性损伤元件及黏性损伤元件的蠕变特征方程,用以描述持荷过程中由于损伤累积而呈现出蠕变与时间相关的非线性变形特征;然后以弹性损伤元件及黏性损伤元件的蠕变特征方程为基础,给出考虑损伤效应的经典组合模型的蠕变状态方程,并依据稳定蠕变过程中蠕变变形的组成特征,构建了用于描述软岩稳定蠕变的五元件变参数非线性蠕变损伤模型,同时给出了蠕变损伤组合模型的蠕变变形特征方程;最后以江西东乡铜矿砂质页岩稳定蠕变阶段实验数据为基础,分析并验证了蠕变损伤模型在描述软岩非线性蠕变特征方面的准确性及适用性,拟合结果表明:引入损伤因子的蠕变模型元件,能够很好的描述蠕变的时效-非线性特征。     

基于动态蠕变实验的沥青混合料本构关系研究

沥青混合料应变在一定温度和外荷载作用下会随着时间增长而逐渐增加的现象称为蠕变;重复加载蠕变实验反映了路面荷载和变形的响应关系,常用于分析路面高温抗车辙性能。为了真实模拟路面的力学状况和描述沥青混合料的动态蠕变性能,对四种沥青和两种沥青混合料进行动态蠕变实验;研究发现沥青混合料的动态蠕变呈非线性,同时采用经典Burgers模型与由Maxwell体和分数阶Kevin体串联组合的分数阶导数Burgers模型对沥青混合料蠕变曲线进行拟合,并对比分析其拟合结果。结果表明,分数阶模型参数a代表了材料的记忆特性,分数阶导数Burgers模型可定量的描述沥青混合料动态蠕变性能的非线性,能更好的分析其高温性能。     

船用高分子材料压缩蠕变特性研究

研究了四种船用高分子材料的蠕变特性,分析了其压缩蠕变曲线特点,以及试验中弹性变形、粘弹性变形及粘性变形在总变形中所占比例,最后建立材料压缩蠕变的Burgers模型,得到了试验数据的拟合方程和拟合曲线。由实测曲线和拟合曲线可知,利用Burgers模型可以准确分析试验期间材料的蠕变性能,并能较好地预测材料后期的蠕变行为。     

沥青砂粘弹塑蠕变损伤本构模型实验研究

针对沥青砂的非线性材料特性,结合连续损伤力学理论,对传统Burgers模型进行改造,提出了粘弹塑蠕变损伤本构模型,通过对不同实验条件下沥青砂单轴蠕变试验结果的非线性拟合,获得模型参数,然后利用模型进行预测分析,得到了不同应力水平与环境温度下的蠕变曲线和损伤演化曲线,通过比较发现该文模型能够更合理地反映沥青砂加速蠕变的非线性特征,而且蠕变过程中损伤演化的速度受蠕变时间、应力水平与环境温度的影响很大。     

应力水平和纤维角度对CGF/PP复合材料蠕变行为的影响及其Burgers模型参数的数值预测

采用DMA的Creep模式分别测试了短时间内（15 min）聚丙烯（PP）在不同应力水平和温度下的单向拉伸蠕变行为,长时间内（10 h）连续玻璃纤维增强聚丙烯（CGF/PP）复合材料单层板在不同应力水平和不同纤维角度上的拉伸蠕变行为。利用Burgers黏弹性模型拟合了蠕变测试数据,构建了相关参数与应力水平和纤维角度的依赖性。结果表明:PP和CGF/PP单层板的蠕变柔量均随应力增大而显著增加,稳态蠕变速率也随之增加,蠕变模量保留率明显下降,PP基体的黏弹性主要决定了CGF/PP单层板在低应力水平下的蠕变行为; 30%应力水平下,偏轴拉伸的纤维角度在0°~90°范围内存在拉-剪耦合效应,在45°时最为显著,此时稳态蠕变速率和蠕变变形量最大;利用四元件Burgers黏弹性模型拟合各条件下蠕变曲线得到的数值模型与实验数据具有较好的相关性,相关系数达到0.99,从得到的数值模型可知相关模型参数存在明显的应力和角度依赖关系;利用模型参数的数值拟合公式分别预测10 MPa应力下0°纤维方向的蠕变曲线及45°纤维方向上30%应力水平的偏轴蠕变曲线均与实验曲线一致,表明本文得到的数值模型的可靠性。      

TLA改性沥青的动态蠕变性能研究

通过对不同掺量的TLA改性沥青进行动态蠕变实验,并基于Burgers模型的粘弹理论进行拟合分析,重点分析了模型参数随温度和掺量的变化规律以及不同掺量的蠕变曲线的形状变化规律。结果表明,基于Burgers模型拟合TLA改性沥青蠕变曲线相关性较高;任一掺量的TLA改性沥青,随着温度的升高,所有的参数值均明显变小;GV值随温度升高降低,当掺量>30%后,GV增大的幅度才较为显著;TLA改性沥青蠕变曲线3个阶段的形状与参数大小密切相关。     

考虑围压对粗粒土蠕变特性影响的Burgers模型参数修正方法研究

传统的Burgers模型假设只有偏应力引起蠕变,而没有考虑围压对蠕变特性的影响,因此其主要用于描述岩石的蠕变特性。但不同于岩石,堆石料等粗粒土是由颗粒集合而成的摩擦型材料,其蠕变特性与围压密切相关。为了考虑围压对粗粒土蠕变特性的影响,该文首先推导了Burgers模型的三轴蠕变理论解,并根据各参数物理意义,提出一套简便实用的参数反演方法,用于获取同一围压不同偏应力下粗粒土的Burgers模型参数;进而总结并分析不同粗粒土的三轴蠕变实验结果,发现幂函数能较好地描述Burgers模型各参数随围压变化的规律;在此基础上,提出考虑围压对粗粒土蠕变特性影响的Burgers模型参数修正方法,并通过三组粗粒土的蠕变实验结果验证了所提方法的有效性。     

Modeling and prediction of compressive creep of silane-treated TiO<Subscript>2</Subscript>/high-density polyethylene

Silane-treated TiO₂/high-density polyethylene (silane-TiO₂/HDPE) is a potential bone substitute material with good bioactivity and mechanical properties. In this composite, 40 vol.% TiO₂ particles were connected chemically with HDPE (high-density polyethylene) by silane-coupling agent. The intensive silane connection was believed to play very important role in compressive creep behavior of silane-TiO₂/HDPE in our previous study. In order to deeply understand the relationship between the special structure and creep behavior, both a viscoelastic creep model named Burgers, and an empirical model called Findley power law were applied to simulate and predict the creep curves obtained in both air and saline solution. The results showed that Burgers model succeeded in simulating the creep curves but failed in long-term prediction for all dry samples, while Findley power law failed in simulating the creep curves in air but succeeded in saline solution. By analyzing the parameters obtained from Burgers model, it was believed that the structure of intense connection by silane chains resulted in the very big and gradually increased permanent viscous flow of this material with creep time. The big permanent viscous flow brought on the failure in simulating creep curves using Findley power law, and the improved permanent viscous flow during creep conduced to the positive deviation between the prediction and practical creep curve using Burgers model. The effect of saline solution around sample could not only decrease the permanent viscous flow but also stabilize it gradually, which resulted in the success in the prediction and simulation of creep curve in saline solution by the two models.     

Nonlinear creep damage constitutive model for soft rocks

In some existing nonlinear creep damage models, it may be less rigorous to directly introduce a damage variable into the creep equation when the damage variable of the viscous component is a function of time or strain. In this paper, we adopt the Kachanov creep damage rate and introduce a damage variable into a rheological differential constitutive equation to derive an analytical integral solution for the creep damage equation of the Bingham model. We also propose a new nonlinear viscous component which reflects nonlinear properties related to the axial stress of soft rock in the steady-state creep stage. Furthermore, we build an improved Nishihara model by using this new component in series with the correctional Nishihara damage model that describes the accelerating creep, and deduce the rheological constitutive relation of the improved model. Based on superposition principle, we obtain the damage creep equation for conditions of both uniaxial and triaxial compression stress, and study the method for determining the model parameters. Finally, this paper presents the laboratory test results performed on mica-quartz schist in parallel with, or vertical to the schistosity direction, and applies the improved Nishihara model to the parameter identification of mica-quartz schist. Using a comparative analysis with test data, results show that the improved model has a superior ability to reflect the creep properties of soft rock in the decelerating creep stage, the steady-state creep stage, and particularly within the accelerating creep stage, in comparison with the traditional Nishihara model.     

老化对水泥乳化沥青胶结料动态力学性能的影响

基于分数导数修正Burgers模型,建立了水泥乳化沥青胶结料（简称复合胶结料）的本构方程。结合不同材料配比的复合胶结料的老化试验及频率扫描试验,分析了老化时间及材料配比等因素对复合胶结料黏弹性力学参数的影响。研究表明,复合胶结料的存储模量与损耗模量均随老化时间的增加而增大,在老化时间为0~8 h时,存储模量及损耗模量增加较快,当老化时间超过8 h后,其增长趋势减缓。对于乳化沥青与水泥的质量比（m_A/m_C）为1.2和1.4的复合胶结料,在不同的加载频率下,其相位角均随老化时间的增加而减小。对于m_A/m_C为1.0的复合胶结料,其相位角随着老化时间的增加呈现先增加后减小的变化规律。随着老化时间的增加,复合胶结料趋向于弹性材料的力学性质。分数导数修正Burgers模型可以较好的描述老化后复合胶结料的黏弹性动态力学行为,模型参数弹性模量E₁、黏度η₁和分数导数r可以描述老化情况下材料黏弹特性的变化规律。     

循环荷载作用下粉砂岩疲劳流变损伤模型研究

针对现有流变模型难以有效描述循环荷载作用下岩石变形及疲劳损伤演化特征等问题,开展了粉砂岩循环加卸载试验,分析了不同上限荷载下岩石的流变规律与疲劳特性。基于Kachanov蠕变损伤理论建立损伤变量,引入一个带应变触发和应力阈值的黏塑性元件,与Burgers模型串联构建循环荷载作用下岩石疲劳流变损伤模型;将正弦波应力函数替换流变微分本构方程中的恒定应力,推导岩石在循环荷载下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到模型的黏弹塑性流变损伤方程。适用性验证表明,新建模型不仅可以精确地反映循环加卸载过程中粉砂岩的衰减、稳态流变阶段,还可以有效地描述上限荷载高于疲劳强度时的加速流变阶段。通过粉砂岩疲劳损伤流变全过程定量化分析,提出加速流变阶段的临界损伤阈值和破坏失稳判据,并给出加速流变阶段的启始时间、持续时间及疲劳寿命预测方法,模型对岩体工程长期稳定性评价具有一定的理论指导意义。     

基于块体砌筑技术的大岗山高拱坝地质力学模型试验研究

地质力学模型试验因能真实地模拟复杂地质构造,直观地反映破坏过程而成为研究地基及其上部结构稳定性和安全性的重要方法,广泛应用于高拱坝整体稳定和加固分析。采用块体砌筑技术不仅可以模拟裂隙岩体的变形和强度,而且能模拟坝基不连续结构面、坝体构造以及加固措施。将块体砌筑技术应用于基础处理的大岗山拱坝地质力学模型试验,结合加载和测量监测设备,得到拱坝坝体位移和应力的分布规律、坝体和坝基岩体的破坏机理及破坏过程。采用3个特征超载安全系数K₁ (起裂安全系数),K₂ (非线性变形安全系数)和K₃ (破坏安全系数)对大岗山拱坝整体稳定性进行了评价。通过与国内主要高拱坝模型试验的稳定性结果对比分析,说明大岗山拱坝整体稳定性和安全性均较高。通过与基础未处理的大岗山拱坝模型试验结果对比分析,说明基础处理措施具有明显的加固效果。     

奇异薄层单元及其在双材料界面断裂分析中的应用

构造了一种平面应力奇异薄层单元并证明了其具有-1/2阶奇异性。用此单元研究了双材料界面层的刚度对界面裂纹尖端场的影响。研究发现:对于I 型界面断裂, 减小界面法向刚度对K_Ⅰ、K_Ⅱ的影响远大于减小界面切向刚度, 且法向和切向刚度的减小对K_Ⅱ的影响均大于对K_Ⅰ的影响, 降低法向刚度会显著改变裂尖正应力和剪应力的分布, 而降低切向刚度只明显改变剪应力的分布, 对正应力的分布影响不大;对于界面II 型断裂, 则减小切向刚度对K_Ⅰ、K_Ⅱ的影响远大于减小法向刚度, 且切向、法向刚度的减小对K_Ⅰ影响均大于对K_Ⅱ影响, 降低切向刚度会显著改变裂尖正应力和剪应力的分布, 而降低法向刚度只明显改变裂尖正应力的分布, 对剪应力的分布影响不大。随着界面刚度增大, 应力强度因子和裂尖应力分布均趋近无厚度理想界面情况。