粘弹塑性土工格栅加筋尾矿流变模型研究

分析土工格栅工程力学特性对加筋尾矿结构变形和长期稳定的影响，基于四参数粘弹塑性模型表征土工格栅长期低应力作用下的力学特性，提出了土工格栅加筋尾矿的流变模型，把加筋复合体受力分析分为两个阶段，分别对应尾矿处于弹性状态和塑性状态，将尾矿产生塑性变形的时间（塑性到达时间）作为两个阶段分界点，并给出了两个阶段的加筋复合体本构关系表达式。研究表明：四参数粘弹塑性模型能够准确反映土工格栅的衰减型蠕变和应力松弛特征；第1阶段，筋材中的应力随时间减小，导致尾矿中的微观应力重新分布，直到尾矿达到屈服条件进入第2阶段，筋材的应力开始保持不变，加筋复合体整体应变由于筋材的蠕变而增加；加筋复合体受力快速由第1阶段过渡到第2阶段，第1阶段变形很小，复合体整体应变主要由第2阶段导致；塑性到达时间受到土工格栅模型参数中Kelvin系数和尾矿强度参数内摩擦角的影响显著。     

单向土工格栅加筋土的流变模型

在研究HDPE单向土工格栅的蠕变和应力松弛特性的基础上，建立了单向土工格栅的流变模型。将加筋土视为由筋、土组成的宏观均匀材料，建立单向土工格栅加筋土体的流变模型。分析表明，在承受长期荷载作用的加筋土的本构关系中，必须考虑由聚合物为原料制作的筋材所具有的明显时间相关的力学行为。     

土工格栅蠕变特性及其黏弹塑性损伤本构模型研究

首先通过土工格栅蠕变试验,比较分析了不同荷载水平下的土工格栅蠕变规律。对以往典型的土工格栅蠕变模型进行归纳分类,并将之与蠕变试验结果对比,评价它们的适用性与可靠性。在此基础上提出了一种土工格栅黏弹塑性损伤本构模型,并应用最优化方法求解模型参数,论证了其合理有效性。研究指出,以往研究所提三类典型的蠕变模型都只适合于描述低应力水平下的衰减模式蠕变,不适合描述高应力水平下的非衰减模式蠕变;土工格栅三参数黏弹性模型,能够较准确地反映土工格栅在低应力水平情况下的两阶段衰减蠕变特性;而考虑材料黏塑性变形以及损伤而建立的土工格栅黏弹塑性损伤模型,能够准确地反映其在高应力水平情况下的三阶段非衰减蠕变特性。     

考虑蠕变、地震效应的土工格栅砂性土加筋挡墙弹塑性有限元分析

土工合成材料加筋土挡土墙具有优良的抗震性能,但是由于加筋用的土工合成材料具有显著的蠕变及应力松弛特性,需要深入研究加筋土挡墙在经历蠕变后的地震动力行为及震后的进一步蠕变以理解其全面的静动力学性能。在已有研究的基础上,应用笔者提出的土工合成材料循环受载、蠕变和应力松弛统一本构模型模拟土工格栅的力学行为,考虑到土工格栅加筋土挡土墙的填土一般为砂性土,而砂性土一般蠕变变形较小,本文应用可以模拟砂土述砂性土非线性静动力性能的广义塑性模型模拟填土,未考虑其蠕变变形。结果表明,在正常加筋长度和密度情况下,加筋土挡墙在经受地震前的蠕变变形会趋于稳定,但筋材内力重分布明显;地震作用使得加筋土挡墙产生较大变形,加筋内力出现较大增长,但结构并未破坏;地震后加筋土挡墙蠕变变形继续发展,而土工格栅加筋会出现内力松弛现象。     

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

 基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC++编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。     

非定常西原黏弹塑性流变模型的应用研究

 在西原模型的基础上,引入非线性Bingham黏塑性元件与Kelvin元件,建立能完整反映蠕变全过程的非定常西原黏弹塑性流变模型。当岩石处于高应力状态时,其黏塑性流变参数随时间呈非线性变化。根据ABAQUS的UMAT格式要求以及非定常西原黏弹塑性流变模型的平面应变(应力)有限元理论,编制相应的黏弹塑性流变模型程序。数值试验结果表明,所建立的非线性黏弹塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下岩石的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石边坡进行流变数值分析,在较大堆载下,边坡顶点进入加速蠕变阶段,达到破坏状态;中点和底点处于低应力状态,为黏弹性阶段,位移趋于稳定。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。     

粉砂质泥岩常规力学、蠕变以及应力松弛特性的对比研究

 在相同围压下,对饱和粉砂质泥岩分别进行常规三轴压缩试验、三轴压缩蠕变试验以及三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,比较3种力学试验得出的岩石试样轴向强度大小以及轴向峰值应变大小,并从岩石破裂机制方面解释岩石强度以及变形差异产生的原因。采用Burgers模型描述粉砂质泥岩的蠕变与应力松弛特性,依据模型参数辨识结果,比较常规力学试验得出的剪切模量G与Burgers蠕变模型和应力松弛模型得出的瞬时剪切模量G1大小关系,并比较Burgers蠕变模型与应力松弛模型对应参数值之间的大小关系。研究结果表明：(1) 粉砂质泥岩试样的瞬时强度最大,蠕变长期强度其次,松弛长期强度最小。(2) 常规力学试验中试样的轴向峰值应变最大,应力松弛试验中试样的轴向峰值应变其次,蠕变试验中试样的轴向峰值应变最小。(3) 常规力学参数G值与Burgers蠕变模型和应力松弛模型参数G1值相差较大,分别是蠕变模型和应力松弛模型参数G1值的64.5,86.8倍。(4) 对于G1,G2,?1,?2这4个参数,蠕变模型辨识得出的参数值均较应力松弛模型辨识得出的参数值大。2种模型的G1参数值大小接近,而其他3种参数G2,?1和?2,采用2种模型辨识得出的参数值差别较大,相差1～2个数量级,其中G2参数值相差最小,?1参数值相差最大。与剪切模量G1,G2参数值相比,2种模型的黏滞系数η1,η2参数值相差较大,表明?1,?2对岩石蠕变与应力松弛特性的影响较大。(5) 粉砂质泥岩蠕变与应力松弛模型对应参数的比较结果,证明所得出的岩石蠕变与应力松弛模型参数的正确性,与线黏弹性材料不同,岩石的蠕变特性与应力松弛特性是不等同的,不能简单地由岩石的蠕变特性推导得出其应力松弛特性。     

土工格栅纵横肋的加筋土力学特性仿真研究

为了研究土工格栅纵横肋布筋形式对加筋土力学特性的影响,采用非线性有限元软件ABAQUS建立模型,对不同工况下加筋土体的应力、位移以及土工格栅的拉应力进行仿真分析。研究结果表明:纵肋对加筋土力学性能的影响起主导作用,横肋起辅助作用。在逐级上覆荷载的作用下,完整格栅的加筋土结构稳定性较好;减少横肋时,加筋土结构力学特性变化不明显;减少纵肋时,加筋土体应力、位移增大,土工格栅拉应力增大,加筋土结构朝着整体破坏的方向发展,布筋时应避免这种情况。     

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.     

浸水对黄土中静压桩挤土效应影响因素的分析

通过分析浸水过程中挤土应力、体应变的变化规律得出:浸水造成挤土应力进一步衰减,但浸水造成的应力衰减幅值不大;在应力-应变塑性区的压缩体应变大于弹性区的体应变值,且浅部塑性区土体有湿陷的可能。对浸水前、后黄土力学参数的对比表明:经过沉桩后,挤土和浸水作用,使黄土的弹性模量增大,极限强度降低,而抗剪强度参数与受到的挤土应力水平相关。基于考虑浸水软化的屈服面概念,说明在应变保持和浸水阶段塑性区土体处于剪切蠕变状态,即处于从天然状态的屈服面过渡到饱和状态的屈服面的过程。     

不同应力水平下湖相软土流变特性研究

为探明湖相软土在不同应力水平下的流变特性,以洞庭湖区软土为研究对象,进行室内一维固结流变试验,建立了在侧限条件下的流变本构模型,并根据拟合的流变本构模型推导了一维固结情况下的解析解。结果表明:洞庭湖软土具有明显的非线性蠕变特征,当应力水平低于某应力阈值时,软土的流变特性服从Schiffman模型规律,软土固结速度较慢;当应力水平高于某应力阈值时,软土的流变特性服从西原模型规律,软土固结速度较快,并且固结速度随着应力阈值的增加而加快。因此,对湖相软土地区的工程建设,应根据软土的工程性质与所施加的荷载水平而采用不同的沉降计算方法与工程处理措施。     

基于内变量热力学的岩石蠕变与应力松弛研究

 蠕变变形和应力松弛是岩石材料固有的时效特性,与岩石工程的长期稳定性密切相关。基于Rice不可逆内变量热力学理论对岩石蠕变和松弛本质上的一致性问题进行了研究。给定余能密度函数和内变量演化方程建立基本热力学方程,通过不同约束条件构建黏弹–黏塑性蠕变和应力松弛本构方程。黏弹性本构方程具有普遍性,能包含经典元件组合模型的黏弹性本构方程;黏塑性本构方程考虑材料变形过程中的硬化效应,更加符合实际情况。蠕变和松弛是岩石材料在不同约束下的外在表现,但两者具有相同的非平衡演化规律,本质上具有一致性。蠕变与应力松弛本构方程基于相同的基本热力学方程,可以相互转化,且方程参数相同,因此可以通过蠕变方程和蠕变试验结果对材料的松弛特性进行分析。最后通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验和应力松弛试验对这一思想进行了验证。     

基于特种筋材蠕变试验预应变加筋法 应用研究及计算模型

 通过对目前广泛应用于加筋土工程的特种筋材——CE131土工网、SDL25土工格栅进行了不同应力水平作用下的长期荷载蠕变试验。为比较不同强度土工合成材料的蠕变特性，研究制作6个CE131土工网试样和4个SDL25土工格栅试样。通过大量的试验结果分析，得出特种筋材CE131土工网、SDL25土工格栅的长期强度为抗拉强度的30%～40%，并提出在长期强度条件下特种筋材的预应变值大小及其计算公式。这对施工中的预应变加筋法技术有重要的参考价值。     

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律.通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能.在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型.在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型.     

钙芒硝盐岩蠕变特性的研究

 在自然界中,纯钙芒硝是以一种化合物的形式出现的,其分子式为Na2Ca(SO4)2,但在试件内部钙芒硝盐岩与泥岩互相混合,以混合物的形式出现,这就决定了其力学性质的特殊性。在不同的应力水平下,进行了长达100多天的单轴压缩蠕变试验,发现钙芒硝盐岩高应力水平蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率,其蠕变速率在初期和后期比较大,并随时间大致呈U形分布,与NaCl岩盐相比,钙芒硝盐岩蠕变速率及蠕变量均较小。回归出钙芒硝盐岩在不同应力水平下蠕变应变随时间变化的曲线方程。对钙芒硝盐岩的蠕变模型进行初步探讨,通过对蠕变曲线与理论曲线的对比,说明同时包含弹黏塑性的西原模型能较好地反映钙芒硝盐岩的蠕变规律,并对相关参数进行了拟合。     

Viscoelastic constitutive relations of polytetrafluoroethylenecoated fabrics

为研究聚四氟乙烯（PTFE）膜材的黏弹性本构关系，进行了蠕变试验和应力松弛试验，考虑了初始拉伸速率、初始应力对于PTFE膜材黏弹性性能的影响，并采用常用的黏弹性本构关系模型对试验数据进行了拟合，分析了应力松弛和蠕变之间的相互转化关系。研究表明：PTFE膜材具有明显的黏弹性性能，在设计中应予以考虑；初始应力对膜材料的黏弹性性能影响明显，初始应力越大，黏弹性越明显，而初始拉伸速率的影响相对较小；五元件广义Kelvin模型、Burgers模型、分指数模型能够较好地预测膜材料的蠕变黏弹性性能，而基于金属材料的蠕变-应力松弛转化关系不能直接用于分析PTFE膜材的黏弹性转化关系。     

分级卸荷条件下锦屏大理岩流变规律研究

 结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用恒轴压分级卸围压的应力路径对锦屏大理岩开展了室内三轴压缩蠕变试验。首先,详细介绍卸围压蠕变试验的过程,并针对轴向和侧向蠕变规律的差异进行对比分析。然后,研究卸荷应力路径下应力状态与岩石蠕变变形的关系,研究结果表明,应力差是决定试样蠕变量的主要因素。最后,以Burgurs模型作为理论模型,在综合考虑试样整体变形的情况下,采用相关试验结果直接确定三维本构方程的模型参数。通过对锦屏大理岩轴向和侧向蠕变变形规律的对比分析,认为2个方向的蠕变变形规律存在明显差异,仅根据轴向蠕变变形规律确定的三维流变本构不能反映侧向的蠕变变形规律。因此,建议在建立三维本构时,必须考虑试样的整体变形特性。     

加载速率变化条件下砂土的黏塑特性及本构模型

 分析并研究饱和的、风干的砂土在平面应变压缩试验条件下的弹黏塑性特征,尤其是黏性特性。加载速率效应、蠕变以及应力松弛都是砂土材料本身黏性的反映,而与超孔隙水压力的消散无关。试验不仅实现了应变率逐步变化加载过程,同时也实现了蠕变加载和应力松弛过程。试验结果表明,在加载应变率发生突变时,对砂土应力–应变关系有明显的影响,呈现出刚性很高、近似于弹性的特性,而后随着应变的进一步增加,在明显屈服之后黏性应力逐渐衰减至基本惟一的应力–应变曲线。类似现象同样也发生在蠕变加载或应力松弛后以一恒定应变率突然重新加载的情况。基于非线性三要素模型框架,针对所观察到的砂土黏性特性,提出一种弹黏塑性本构模型。该模型可以描述砂土在任意加载历史下的黏性效应,包括加载应变率发生任意变化时的应力–应变响应、蠕变以及应力松弛。最后,利用该模型对上述砂土平面应变压缩试验结果进行模拟,所提案的三要素弹黏塑性本构模型能够很好地模拟砂土的黏性特性。