岩石分数阶蠕变损伤本构模型研究

红层边坡蠕滑现象显著,岩石具有较强的蠕变特性。为了反映岩石蠕变全过程,基于岩石蠕变的阶段特征,通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体来分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。将损伤变量加入弹性体,引入SN元件改进分数阶软体元件,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黏塑性体,构建新的三元件蠕变损伤本构模型。采用RLW-2000三轴流变试验系统开展红层泥岩三轴压缩蠕变试验,再引用相关文献中盐岩和红砂岩典型蠕变数据,通过三种岩石蠕变曲线对该模型进行验证,证明所建模型的合理性和适用性。     

基于分数阶导数的岩石蠕变本构模型研究

针对组合元件模型无法描述岩石非线性蠕变加速阶段的劣势问题,将基于分数阶理论的软体元件和弹簧元件与一个由摩擦件及牛顿黏壶并联组成的非线性黏塑性组合体串联,组成一个能较好描述岩石蠕变全过程基于分数阶导数的四元件蠕变模型.分析岩石蠕变3个过程特点,推导出四元件模型的表达式.结合锦屏水电站绿片岩、万州红层砂岩和长山盐岩的蠕变试验数据,对该分数阶模型进行拟合,发现调整分数阶模型中的分数阶数可以更好模拟岩石等速蠕变阶段的非线性渐变过程,同时该分数阶模型也能体现加速蠕变阶段岩石应变随时间发展呈现指数函数增长的特点.通过对比,认为该分数阶模型能很好模拟岩石蠕变的全过程,且模型组合简单、参数少,具有良好的实际应用价值.     

基于分数阶微积分的非线性黏弹塑性蠕变模型

根据Riemann-Liouville分数阶微积分理论,借鉴经典元件组合的建模思路,提出了统一采用基于分数阶微积分形式表达的四元件非线性黏弹塑性流变模型,给出了该模型的本构方程及蠕变方程,其中可分别通过调整分数阶次β1和β2来有效控制蠕变第Ⅰ、Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段的蠕变变形速率.比较了该模型对于已有数据的预测能力,结果表明该模型与已有的理论模型具有相同的预测精度,能有效反映岩石3个阶段的蠕变特性,当应力较低时反映出瞬变蠕变和稳定蠕变,应力超过岩石长期强度时反映出加速蠕变.同时,该模型中软体元件的运用起到了减少元件个数及参数的效果.     

深部矸石充填体黏弹性效应及顶板时效变形特征

深部充填开采矸石充填体的黏弹性特征对顶板长时变形具有重要影响.采用矸石充填体侧限压缩试验系统测试了矸石充填体的黏弹性,建立了矸石充填体分数阶蠕变模型和分数阶蠕变地基梁模型,给出了分数阶黏弹性地基梁的挠度表达式,结合工程案例分析了顶板时效变形特征,认为深部环境下矸石充填体具有显著黏弹性效应,而顶板会随充填体的蠕变不断产生变形,且其时效变形可采用矸石充填体分数阶黏弹性地基梁模型预测.结果表明:矸石充填体在分级加载下,总蠕变应变随蠕变时间和最大应力的增加而不断增长,应力达到20 MPa时,应变增幅为2.86%;识别了矸石充填体分数阶蠕变模型参数,参数识别精度R²均大于0.99;根据分数阶黏弹性地基梁挠度表达式计算得出顶板10 a蠕变量较1 a蠕变量在采场充填区中心位置增加2.73%;分数阶黏弹性地基梁顶板变形理论值与新巨龙1302N工作面直接顶下沉实测值相对误差为4.29%.     

岩石三维非线性黏弹塑性损伤蠕变模型研究

为了准确描述岩石蠕变曲线的各阶段特征,将Kelvin模型中黏壶元件的黏滞系数定义为与时间相关的函数,并根据蠕变损伤理论构建了一个考虑蠕变参数随时间劣化的损伤黏弹塑性体,进而将弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏弹塑性体进行串联,提出了可以描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性损伤蠕变模型,并合理推导了该模型在恒应力情况下的一维和三维蠕变方程。最后,根据相关蠕变试验数据进行参数识别来验证损伤蠕变模型的有效性,对比分析理论模型和试验数据的相关性,结果表明该模型能很好地描述岩石蠕变全过程,且相关系数均在0.92以上。     

芒硝蠕变特性及本构模型研究

利用RLW-2000岩石流变试验机对芒硝开展了三轴压缩蠕变试验。试验结果显示,同一围压下,随轴向应力增大,芒硝蠕变变形量和稳态蠕变率均随之增加,而各级荷载加载过程中芒硝变形模量不断减小;芒硝蠕变过程具有非线性特征,且随蠕变时间延长,芒硝屈服强度逐渐降低。以分数阶粘滞体代替广义Kelvin模型中的经典粘滞体,建立了分数阶广义Kelvin模型;针对其蠕变方程形式复杂、应用不便的缺点对其进行了简化,将简化后的分数阶广义Kelvin模型与Heard稳态蠕变模型相结合,构建了一种新的非线性蠕变本构模型,并利用芒硝蠕变试验结果反演了模型参数。结果表明,拟合曲线和试验结果吻合良好,说明该模型能够较好的描述芒硝的蠕变特性。     

可变阶次分数阶微分实现图像自适应增强

为了改善图像增强的效果,提出了一种可变阶次的分数阶微分图像自适应增强算子.该算子的数学原理是根据图像的局部统计信息和结构特征来动态调整分数阶微分的阶次.在图像增强的过程中,分数阶微分的阶次满足在图像“强边缘”处具有较大的微分阶次,在图像“弱边缘”或纹理处具有较小的微分阶次,在图像平滑处具有微小的微分阶次,在判断为噪声处具有负阶次.建立了图像增强效果和分数阶微分阶次之间的非线性量化关系,构造了相应的自适应函数,实现了图像的自适应增强.实验结果表明,在无噪声的情况下,该方法较传统的分数阶微分算子在图像增强方面效果更好;在有噪声的情况下,该方法具有一定的噪声免疫能力.     

基于空间分数阶偏微分方程的图像去噪模型研究

为了在获取更高信噪比的同时更多地保留图像边缘和纹理等细节信息,将分数阶微积分理论和偏微分方程方法有效结合,构建了基于空间分数阶偏微分方程的图像去噪模型,并利用分数阶微分掩模算子来实现去噪模型的数值计算。该去噪模型通过引入以分数阶梯度模值为参数的边缘停止函数并选择合适的分数阶微分阶次,由此能够在一定程度上解决传统去噪模型存在的不足之处。实验结果表明,基于空间分数阶偏微分方程的图像去噪模型较传统的去噪模型不仅可以提高图像的信噪比,而且可以更好地保留图像边缘和纹理等细节信息。     

数字图像的局部分数阶微分增强

为了扩展传统分数阶微分在图像增强处理中微分阶次的范围,改善传统分数阶微分对图像亮度增强不甚理想的问题,提出了一种局部分数阶微分增强图像算法。首先根据局部分数阶微分理论,建立了数字图像的分数阶微分增强分算法。然后构造了新的数字图像分数阶微分增强模板,在该模板中增加亮度控制函数得到边缘、纹理和对比度同时增强的分数阶微分增强算法。实验表明,该方法能扩大分数阶微分在图像增强处理中阶次的范围;不但能很好地增强图像的边缘、纹理和轮廓等信息,又能明显改善图像的对比度和亮度,增强图像的视觉效果优于传统的分数阶微分增强方法的视觉效果。     

参数非定常的软岩非线性黏弹塑性蠕变模型

经典线性组合元件模型难以描述岩石三阶段不稳定蠕变,至今已经出现很多非线性组合元件模型来表述完整的岩石三阶段蠕变,但仍然存在不足.基于Maxwell蠕变模型,引入非线性黏塑性体(NVPB模型)和其串联,并根据蠕变过程中岩石弹性模量随时间的弱化规律,提出了一种新的参数非定常非线性黏弹塑性蠕变本构模型,可以完整地描述泥岩三阶段不稳定蠕变.通过泥岩蠕变试验数据对该非定常非线性蠕变模型参数进行了辨识,并将该蠕变模型的计算结果和试验数据进行了对比,证明了本文所建立的非定常非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性与合理性.     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

提出一种新的非定常粘滞系数的流变元件,然后将提出的非线性流变元件引进到PoytingThomson模型中,从而建立了新的非线性黏弹塑性流变模型,该模型不但可以较好地模拟岩石蠕变三个阶段,而且模型参数较少。推导出模型的本构方程及蠕变方程,并探讨了模型参数的辨识方法,最后利用本文建立的非线性流变模型所得到的理论曲线与砂岩蠕变试验曲线进行对比分析。结果表明:本文建立的非线性流变模型具有较高的准确性及合理性。     

蠕变参数劣化的时效性及变参数蠕变模型

为研究深部岩石在复杂条件下的蠕变特性,采用MTS812.02试验机对岩石进行三轴蠕变试验.在分析蠕变曲线特征的基础上,结合岩石流变力学和损伤理论,将黏弹塑性损伤元件引入蠕变模型,提出确定蠕变参数的方法,实现对岩石蠕变曲线全过程的描述.结果表明:黏弹塑性损伤元件为描述岩石蠕变曲线全过程提供了一个新思路;改进的模型可考虑过...     

考虑渗压的二长花岗岩流变损伤本构模型研究

基于二长花岗岩的流变试验结果,采用Cross-plotting方法确定了有效应力系数,在广义Bingham模型的基础上建立了考虑渗透压力损伤的流变损伤本构模型,对新的流变损伤模型进行参数辨识,得到了流变损伤模型的参数。推导了模型的流变本构方程,并用该模型拟合了岩石流变试验的数据,拟合结果表明:该模型不仅可以很好地描述衰减流变和稳态流变过程,亦可描述岩石的加速流变阶段,从而证明该模型的可行性和合理性。     

轴压水压耦合作用下裂隙砂岩蠕变特性

在水利水电、水底隧道等岩土工程建设中,伴有初始损伤的岩石材料长期处于轴压水压耦合环境下,严重影响岩土工程的长期稳定性.为保证处于轴压水压耦合环境下岩土工程的长期稳定性,以预加载制备的裂隙砂岩岩样为研究对象,利用特制的流固耦合多通道岩石流变系统,开展轴压水压耦合作用下裂隙砂岩单级加载蠕变试验及其蠕变模型研究,主要分析压力...     

岩石流变的一种非线性黏弹塑性流变模型研究

将黏滞系数视为非定常量,建立黏滞系数的非线性函数关系,提出一种能描述岩石蠕变全过程的非线性流变力学模型,且在一定条件下模型可蜕变为Burgers模型或西原正夫模型。推导了岩石在常应力和常应变条件下的流变方程;研究了岩石的非线性蠕变特性和松弛特性。对不同应力条件下的岩石蠕变试验结果进行拟合,并将本文的非线性岩石流变力学模型与试验结果进行比较。结果表明,试验曲线与理论曲线较吻合,从而证明了本模型的正确性与合理性。     

非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型

基于非线性流变力学理论,建立了非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型。模型中不仅考虑滑带土非饱和特性-基质吸力对土蠕变特性的影响,同时考虑了与时间、应力状态有关的非线性黏滞体的流变特性,由非线性黏滞体替换Burgers模型中的线性黏滞体。对非饱和滑带土开展三轴蠕变试验,并对试验结果采用最小二乘法曲线拟合,获得了不同基质吸力下的蠕变参数,并将试验结果与Burgers模型拟合曲线以及提出的非线性Burgers模型拟合曲线进行对比。结果表明,采用非线性Burgers模型能很好地拟合试验结果,且与试验曲线的吻合程度、相关系数明显高于线性Burgers模型。     

改进的广义Kelvin岩石蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型难以描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,提出一种新的时间触发非线性黏性元件,并将其与广义Kelvin模型串联,再将岩石蠕变过程中岩石弹性模量的衰减方程引入到广义Kelvin模型中,得到了一个可以模拟岩石蠕变全过程的非线性蠕变模型,推导了不同恒定荷载情况下的一维和三维蠕变方程。根据通用全局优化算法,利用前人所研究的岩石蠕变实验曲线对非线性蠕变模型进行参数确定和模型验证。模型理论计算值和岩石蠕变实验曲线的对比表明该蠕变模型具有较高的正确性和合理性,能较好地模拟岩石在不同应力水平下的蠕变变形,可为今后开展类似研究提供一定的参考价值。