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。     

含水砂岩蠕变损伤模型的二次开发及工程应用

隧道围岩在富水环境下流变现象显著。以某砂岩隧道为研究对象,开展砂岩饱和状态下的三轴压缩蠕变试验,建立考虑含水率的损伤表达式。砂岩流变性态为黏性-黏弹性-黏塑性,通过统一流变力学模型理论确定蠕变模型结构为H- N -H｜N -N｜S,基于此模型进行损伤演化,从而得到蠕变损伤模型并将其推广为三维情形。将本构模型三维差分化,通过C++和FISH语言在FLAC^3D中实现了二次开发。还原实际试验条件,进行仿真验证,证明二次开发成功及模型参数求取的正确性。建立隧道三维模型,调用自定义蠕变本构模型,进行不同蠕变时间下的数值计算,验证本文蠕变损伤模型在岩体工程应用中的可行性。研究成果可为类似本构模型的构建与开发及隧道长期营运安全性分析提供参考。     

滑坡滑带土非饱和蠕变特性模型研究

绝大多数滑坡的失稳过程实质为非饱和蠕变过程。在Singh-Mitchell研究成果的基础上,研究了低应力水平下蠕变变形与时间的关系,将蠕变过程划分为衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个阶段,并且将基质吸力作为一种新的应力变量反映到模型中,从而建立能够反映应力-吸力-应变-时间的非饱和蠕变模型。以三峡库区千将坪滑坡滑带土为研究对象,根据非饱和三轴蠕变试验数据对模型参数进行求解,并根据参数λ1、λ2与应力水平的关系,参数B、βDR与时间关系对模型进行修正,推导了适用于非饱和土的非线性蠕变模型。采用试验数据对模型进行验证,发现该模型能够较合理地预测滑坡滑带土的蠕变特性。     

不同温度-应力场下泥岩蠕变特性及本构模型

为探讨不同温度-应力场下泥岩的蠕变力学行为特征,对泥岩开展了常温(25 ℃)、60 ℃和120 ℃下的三轴分级加载蠕变试验,得到了各温度-应力场下对应的蠕变历时曲线和蠕变参数,给出了考虑温度和损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明:高温促进了泥岩内部分子运动,减弱了颗粒之间的相互胶结力,使其蠕变特征明显,而围压则能在一定程度上抑制泥岩内部损伤的发展;稳态蠕变速率随偏应力和温度的升高呈指数型函数增加,随围压升高则呈线性减小;各温度场下,泥岩的长期强度和长期抗剪强度特征参数随围压的升高呈良好的线性关系,相同围压下,温度越高,长期强度越小;在经典西原模型基础上,结合温度-应力场下泥岩的温度效应和损伤效应,建立了热-力耦合作用下的蠕变损伤本构模型,能很好地模拟各温度-应力场下泥岩的蠕变特征,拟合结果表明,弹性模量和黏性系数随温度的升高呈线性减小,而α则随温度的升高呈对数型函数增加。     

危岩体稳定的时间效应分析

危岩在山区较为常见,其裂尖何时失稳扩展直接影响危岩体的长期稳定性。运用断裂力学理论并引入位移外推法,结合ABAQUS软件分析了危岩体应力强度因子。在危岩稳定性断裂力学分析中采用蠕变理论,通过室内单轴蠕变试验结果得出了时间硬化模型参数,模拟了危岩体在自重荷载作用下的蠕变特性。此外,考虑断裂韧度的时间效应,由岩石蠕变试验获得其损伤演化规律,从而建立了危岩的长期稳定系数公式。实例计算表明,危岩裂尖应力强度因子在蠕变过程中的变化趋势和其蠕变曲线具有相似性。根据分析结果拟合出危岩体长期稳定系数曲线,可预测其达到临界失稳条件的时间。     

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。     

基于应变屈服临界的岩石黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究岩石的非线性加速蠕变特性, 依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征,划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态,并给出了相应状态的蠕变力学特性。假定岩石在三轴压缩试验条件下,发生延性剪切破坏,推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式。基于Perzyna黏塑理论,考虑后继屈服硬化作用,引入统计损伤因子,构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型;采用岩石全自动伺服三轴蠕变试验机对三峡库区典型砂岩试样开展了蠕变试验,得到了岩石试样在不同应力水平作用下的蠕变变形曲线。结果表明:蠕变试验中,岩样力学性质的时效特征显著,在最后一级应力水平作用下发生了非线性加速蠕变现象。基于提出的黏弹塑性蠕变模型对试验曲线进行拟合,拟合结果说明模型能够较好地反映砂岩蠕变3个阶段变形的规律特征,拟合效果较好。     

基于蚁群算法的冻结重塑黏土分数阶导数西原模型分析

掌握冻结状态下岩土体的蠕变规律,对利用冻结法施工的井筒建设安全至关重要。对人工冻结重塑黏土在-5,-10,-15 ℃下进行单轴抗压强度试验,得到温度对人工冻结重塑黏土单轴抗压强度的影响规律;根据重塑黏土冻结下的单轴强度,分别进行3个加载等级的蠕变试验,得到温度、加载等级对蠕变的影响规律。将Abel黏壶引入到西原模型,建立分数阶导数西原模型;利用蚁群算法对重塑黏土冻结状态下蠕变西原模型和分数阶西原模型进行参数辨识,通过分析2种模型的模拟结果,表明分数阶西原模型更适合于计算重塑黏土冻结状态下的蠕变规律。     

延安Q2黄土三轴蠕变特性试验研究

对延安地区Q₂黄土进行了三轴蠕变试验,通过试验得到了延安Q₂黄土不同含水率及不同围压条件下应变-时间曲线和应力应变等时曲线。经过曲线分析发现,应力水平、围压及含水率对延安Q₂黄土的蠕变特性具有较大影响,且当应力水平高于试样的屈服应力时,Q₂黄土表现出显著的非线性蠕变特性。根据蠕变试验结果及模型原理,利用类比法建立了三维应力状态下的黏弹塑性蠕变模型。在此基础上,建立了考虑瞬时损伤的黄土蠕变本构模型,并运用拟牛顿法对模型中的各项参数进行拟合,结果表明：该本构模型适用于延安地区Q₂黄土的蠕变研究,同时,期望该研究成果能为黄土高原其他地区岩土工程设计提供理论及实践意义。     

基于非饱和蠕变模型的滑坡长期变形数值模拟

绝大多数滑坡的发生都与水直接相关,滑坡土体经常处于非饱和状态,而坡体的失稳破坏大都经历了一个时间过程,即滑坡变形具有蠕变性质。因此,绝大多数滑坡的失稳过程实质为非饱和蠕变过程,数值模拟时考虑渗流耦合蠕变效应更能符合滑坡变形的真实状态。根据前期研究成果所得的非饱和土非线性蠕变模型及其三维形式,采用试验数据对模型进行验证。由于常规商业有限元软件没有提供适合特定土体的非饱和蠕变模型,编制了基于渗流及蠕变耦合计算的有限元计算程序,并利用该程序对树坪滑坡在库水位变动下的变形过程进行了数值模拟。结果表明,计算结果与实际变形的监测值趋势比较接近,说明本文所建立的蠕变模型合理,编制的程序可靠,可用于实际滑坡的长期变形计算。     

考虑蠕变效应的岩石损伤起始准则

现有的损伤起始准则多为应力的函数,即在应力空间中某一固定的曲面,得到的损伤起始面为介于初始屈服面与最终破坏面之间的固定曲面。基于现有损伤起始准则假定,考虑了蠕变变形的影响,提出了一种岩石损伤起始准则。该准则在应力空间中所形成的损伤起始面随着蠕变变形的增加而收缩。故此,根据该准则,岩石即使在应力水平低于瞬态损伤起始应力的情况下,也会随着时间的增加而达到损伤起始点,从而激活损伤过程直至达到最终的破坏状态。考虑蠕变效应的损伤准则可以很好地解释一些蠕变试验（包括常应变率试验、常加载速率试验和常应力蠕变试验等）结果。损伤起始准则中所包含的材料参数可以通过常规三轴试验和单轴蠕变试验很方便地确定。     

一种岩石损伤流变模型及数值分析

根据石膏角砾岩的蠕变特性,建立石膏角砾岩的损伤流变模型;推导有限元计算中黏弹塑性损伤流变模型黏性应变的计算公式,结合初应变法的基本原理,分析模型的有限元求解过程;用MATLAB编制了损伤流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的程序对石膏角砾岩蠕变试验进行有限元分析,有限元计算结果与蠕变试验结果吻合得较好,表明采用统计损伤理论研究岩石的非线性流变是可行、有效的。     

蠕变对河流侧蚀型黄土滑坡影响的数值模拟

为了解蠕变对黄土斜坡变形破坏的影响,给河流侧蚀型黄土滑坡治理提供技术参考,对泾河下游舒唐王村一带塬边黄土进行蠕变试验,建立适用于该区黄土的自定义蠕变模型并进行数值模拟,分析蠕变效应对河流侧蚀型黄土滑坡变形破坏的影响,结果表明:蠕变对黄土滑坡变形破坏过程具有显著的促滑效应,蠕变效应显著加速了滑坡土体塑性区的发展及贯通,明显加剧了滑坡土体剪应变增量的放大与集中、增大了滑坡的水平位移。     

HDPE土工格栅在有约束条件下的蠕变特性试验

土工格栅的蠕变特性是影响其在永久性加筋土结构中应用的重要因素之一。目前,大多数蠕变试验是在无约束条件下进行的,与格栅在加筋土结构中应用的状态和条件有明显差别。采用HDPE土工格栅进行了一系列在砂土中不同荷载水平下的侧限约束蠕变试验,获得了格栅在砂土中的蠕变发展规律;并与无约束(在空气中)的蠕变试验成果相对比,结果表明,侧限约束可以显著减小格栅的蠕变量。     

非饱和重塑黄土三轴蠕变试验研究

为研究陕西咸阳扶风地区黄土边坡的稳定性,利用SR-60型双联三轴蠕变仪针对非饱和重塑黄土进行了三轴固结排水蠕变试验。试验结果表明:试样含水率、固结围压和偏应力水平对蠕变变形具有明显的影响。表现为:当含水率较大、固结围压较小时,蠕变变形量大,蠕变现象明显;当其他条件一定时,在偏应力水平较大条件下,试样变形大,蠕变现象明显。在数据分析的基础上建立了经验模型,并与Singh-Mitchell和Mesri模型对比后发现,新模型具有精度高、参数少且参数容易获得等优点,能较好地模拟该地区黄土蠕变过程。     

坝基混凝土直剪试验数值模拟分析

该文以坡月水库为研究对象，利用ABAQUS有限元软件对坝基混凝土与基岩胶结面开展原位直剪试验的有限元数值模拟。在验证了数值模型正确性和模拟方法可行性的基础上，对胶结面处的不同工况下的应力-应变关系、应力分布及破坏机理进行分析。结果表明：胶结面处应力分布呈两端大中间小，剪应力最大值集中在胶结面的边角处；胶结面处的损伤首先产生于加载端，并沿剪切方向逐渐发展，直至贯通整个胶结面；胶结面的抗剪能力随法向应力的增大而增强，使得胶结面完全破坏时的最大剪切应力逐渐增加。通过数值模拟与分析，可以充分揭示坝基胶结面处的断裂损伤演变规律，为大坝的建设及安全运行提供科学的理论依据。     

速率过程理论在粘土蠕变模拟中的应用

介绍了速率过程理论及其相应的粘性土蠕变模型的推导,选取淮阴三类不同土质的粘性土样开展了蠕变试验研究,分别制备了各向异性和各向同性的结构试样,获得了相应的蠕变试验成果,最后用速率过程理论模型对试验成果进行了拟合.研究成果表明以速率过程理论为基础而建立的蠕变模型能有效地模拟不同土质粘性土的蠕变过程、趋势和变形,反映出粘性土土性的本质特点,使土质学和土力学紧密地结合在了一起.     

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。     

地下工程“智能连续”优化方法的实现(Ⅱ)：大型地下厂房空间分布优化研究

基于修正的Rabotnov损伤理论，建立了适合于依托工程岩体的非线性蠕变损伤本构模型，利用白云质灰岩室内三轴蠕变试验结果对本构方程进行了参数识别；同时，将非线性蠕变损伤模型编入到ABAQUS子程序进行二次开发，对变质灰岩室内三轴蠕变试验过程进行三维数值仿真，数值计算得到的流变时程曲线与试验曲线较为一致。将文章第Ⅰ部分实现的地下工程“智能连续”优化方法应用于四川大渡河猴子岩水电站地下厂房合理空间分布优化中，建立考虑围岩体流变特性、地下厂房分步开挖及其支护体系的参数化模型，通过优化分析得到适合于工程建设的最优空间分布施工方案，并将优化方案与设计方案计算结果进行对比，验证了优化方案的合理性。     

速率过程理论在粘性土蠕变模拟中的应用

介绍了速率过程理论及其相应的粘性土蠕变模型的推导，选取淮阴三类不同土质的粘性土样开展了蠕变试验研究，分别制备了各向异性和各向同性的结构试样，获得了相应的蠕变试验成果，最后用速率过程理论模型对试验成果进行了拟合。研究成果表明：以速率过程理论为基础而建立的蠕变模型能有效地模拟不同土质粘性土的蠕变过程、趋势和变形，反映出粘性土土性的本质特点，使土质学和土力学紧密地结合在了一起。