基于分数阶微积分的改进西原模型及其参数智能辨识

传统西原模型难以描述岩石的非线性加速流变特性,根据Riemann-Liouville分数阶微积分理论,采用分数阶黏壶及非线性黏塑性体NVPB(nonlinear viscoplastic body)模型,分别取代传统西原模型黏弹性体中的牛顿黏壶及黏塑性体,提出改进的西原模型,并推导出岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程。模型采用基于流变阶段分解-粒子群-模拟退火算法相结合的智能算法对已有的试验数据进行反演,结果表明该模型能有效地反映岩石3个阶段的蠕变特征。通过对模型的敏感性分析发现,岩石的非线性渐变过程及加速蠕变阶段的快慢程度分别由分数阶导数的阶次及流变指数控制,传统西原模型是改进西原模型的一种特例。     

基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型研究

针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞围岩在开挖过程中呈现明显的流变劣化特征,基于分数阶微积分理论,用Abel黏壶替换西原模型中的牛顿黏壶,推导出基于分数阶导数的蠕变本构方程,同时考虑岩石在蠕变过程中,尤其是所受应力超过其长期强度时,蠕变参数是非定常的特征,把蠕变参数的非定常性引入本构方程中,建立了基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型。结合锦屏二级水电站引水隧洞主要围岩之一的大理岩的室内剪切蠕变试验的结果,对模型中的参数进行反演,结果表明,基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型能够在蠕变初期和拐点处与试验结果很好地吻合,并且可以克服西原模型不能反映蠕变第3阶段的不足。通过对模型中参数的敏感性进行分析,得出分数阶阶数、非定常参数对岩石蠕变的影响规律。研究结果表明,提出的基于分数阶导数的非定常蠕变模型能够很好地反映大理岩的蠕变全过程。     

循环荷载下土体变形特性研究

为研究循环荷载下土体变形特性,基于已有的分数阶黏壶构建循环荷载下分数阶黏壶,并将其替换为西原模型黏塑性体中的常值黏壶,建立了可描述循环荷载下土体变形规律的分数阶西原模型。当循环荷载应力幅值大于土体临界应力幅值时,模型为反映土体破坏型变形规律的分数阶西原模型;反之,则为反映土体稳定型、临界型变形规律的广义Kelvin模型。采用应力分解法,将循环荷载分解为一个静力荷载和一个平均应力值为0的循环荷载,基于流变力学理论给出了静力作用下基于该模型的流变本构方程,再根据黏弹性力学理论构建了交变应力作用下基于该模型的动态响应本构方程,将已获得的土体流变本构方程与动态响应本构方程叠加,得到新的土体本构方程。结果表明:与既有的试验结果相比,基于分数阶西原模型所建立的本构方程可较好描述循坏荷载下土体各种类型的变形特征,对土体各类型变形曲线的拟合效果较好,拟合系数均在0.90以上,且模型参数值随循环荷载动应力幅值的增大而以幂函数形式减小。     

基于声发射特征的盐岩蠕变本构模型研究

针对盐岩作为储库介质在长期运营下的变形行为,开展了历时359 d的层状盐岩室内单轴蠕变试验,实时监测了试验过程中的声发射信号规律。研究表明,盐岩单轴蠕变试验中声发射表现出特征明显不同的3个阶段,累计声发射事件定位显示,各阶段声发射信号的分布与试件的变形及破坏位置基本一致,并且累计声发射事件数与蠕变应变近似满足线性关系,验证了基于声发射事件数来建立盐岩蠕变本构模型的合理性。进一步构建了基于声发射的盐岩损伤演化本构模型,并采用最小二乘法拟合本试验数据获得本构模型中的参数,由拟合曲线可知,基于声发射的盐岩蠕变本构模型能够较好地描述盐岩蠕变的3个特征阶段。     

考虑硬化和损伤效应的盐岩蠕变本构模型研究

盐岩是储存化石能源和高放射性核废料的理想介质,研究盐岩蠕变力学特性对地下盐岩储库的安全营运具有重要意义。为合理反映盐岩蠕变过程存在的损伤和硬化两种机制,以元件组合模型为基础,结合分数阶微积分理论建立了一种考虑损伤和硬化效应的盐岩蠕变本构模型。该模型采用考虑时效损伤的弹性元件描述盐岩加载初期的损伤变形,采用分数阶村山体描述盐岩衰减蠕变阶段的黏弹塑性蠕变力学行为;通过引入描述盐岩屈服强度随时间强化的硬化函数来反映盐岩硬化机制;采用瞬时塑性元件描述不可恢复的瞬时变形。基于Kachanov蠕变损伤定律与Lemaitre应变等价原理构造了一种带有应变触发的非线性黏壶元件,该元件能够较好描述盐岩加速蠕变阶段的非线性变形特征。基于组合模型理论推导了考虑硬化和损伤效应的盐岩一维、三维蠕变方程;通过分析已有盐岩单、三轴蠕变试验等时应力-应变曲线特征,确定了村山体启动应力阈值;结合等时应力-应变曲线和蠕变试验数据对模型中的参数进行了辨识。结果表明：建立的蠕变本构模型仅用一组参数即能描述不同应力状态下盐岩的蠕变力学特性,可为预测盐岩蠕变变形特征提供一定的理论依据。     

盐岩的分数阶非线性蠕变本构模型

在非牛顿流体黏滞阻尼元件的基础上提出了分数阶非线性黏壶元件。基于分数阶导数的定义,得到了该元件的理论表达式,其表达式与Abel黏壶的表达式相一致,进一步比较发现该元件能反映蠕变曲线的非线性加速特征。通过引入该元件建立了新的非线性蠕变本构模型。基于蠕变试验数据,对该模型进行了拟合分析。结果表明,非线性蠕变本构模型与试验数据吻合的较好,并且能很好地反映全过程蠕变曲线的特征,尤其是非线性加速蠕变阶段。     

基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验

采用软岩相似材料进行了2种不同流变加载方式下的单轴流变损伤破坏试验,并通过超声检测技术获得了软岩在各级流变阶段的超声信号。试验结果表明:软岩相似材料具有强烈的黏、弹、塑性变形特征,选用西原模型对软岩各级流变过程进行模拟较为合适;当应力达到或超过软岩试件单轴抗压强度的80%时,纵波波速曲线才会在流变过程中持续下降,出现可检测损伤迹象,而首波振幅曲线波动大,检测结果不准确;以波速定义损伤变量,得到了软岩流变过程损伤演化曲线。试验结果能为软岩工程长期流变下的结构稳定性提供依据。      

基于分数阶导数理论的Q3黄土流变本构模型研究

荷载的时间效应诱发的黄土蠕变和渐进破坏会显著影响其工程构筑物的长期服役性能。特别是在我国西北地区黄土广泛分布,在荷载的长期作用下一些典型工程建构筑物(如西安地铁开挖的黄土隧道工程)可能因黄土蠕变和渐进破坏而失稳,进而对工程建设的顺利实施以及工程建设完成后其安全运营维护产生极为不利影响。可见,对黄土流变特性进行分析并揭示其流变机理进而建立其本构模型具有重要的理论和实际意义。为此,以Q₃黄土为研究对象,基于分数阶导数理论,通过对典型蠕变变形过程进行分析,提出了一种可模拟加速蠕变阶段非线性变化特征的分数阶元件模型,对其进行理论分析进而建立了分数阶改进西原模型并推导出本构方程。在此基础上对Q₃黄土的原状与重塑样开展了三轴分级循环加-卸载流变试验,以验证分数阶改进西原模型的有效性。相应的理论计算结果表明:分数阶改进西原模型既能实现对Q₃黄土减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个流变阶段的模拟,又可弥补整数阶改进西原模型无法描述加速蠕变阶段的不足,而且相比于整数阶改进西原模型,其在减速蠕变及卸载阶段的预测效果更佳。研究结果为考虑黄土流变问题的建构筑物安全运营维护设计与施工方案提供了重要的理论依据。     

龙滩水电站泥板岩剪切流变力学特性研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站泥板岩进行了剪切流变试验,分析了泥板岩剪切位移随时间的变化规律,探讨了不同应力状态下剪切流变速率的变化趋势,讨论了岩石剪切强度随时间的变化规律。将非线性流变元件(NRC模型)与西原模型串联起来,建立了新的能够描述加速流变特性的岩石非线性流变模型。采用泥板岩剪切流变试验曲线,对建立的黏弹塑性剪切流变模型进行了辨识,获得了岩石黏弹塑性剪切流变模型的材料参数,流变模型与试验结果的比较显示所建模型的正确性与合理性。     

基于分数阶微积分改进的黄土西原模型

基于分数阶微积分构造的软体元件可反映介于理想固体与理想流体之间的岩土材料流变性质。应用软体元件替换传统西原模型中牛顿粘滞元件,改进的西原模型更符合材料的实际力学行为。为反映岩土材料流变的非线性特性,应用简化的SN元件与考虑应力及时间的损伤变量进一步改进软体元件的类粘滞系数,得到了由变参数的软体元件改进的西原模型。应用Q2黄土三轴蠕变试验结果对模型进行验证,结果显示改进后的西原模型可以很好地反映黄土的整体流变特性。     

Nonlinear Variation Parameters Creep Model of Rock and Parametric Inversion

Traditional Nishihara model is a linear constant parameters model, and it is difficult to describe nonlinear accelerated creep characteristics of rock with this model. Therefore, an improved Nishihara model is proposed in the way of replacing, cascading elements and substituting parameters in the original model. Firstly, fractional differential elements are used to replace viscous elements in the traditional Nishihara model; then a viscous plastic element with assumption exponential relationship between the rock nonlinear rheological deformation and time power function is cascaded; finally, the viscosity coefficient of the traditional model is rewritten to a variable parameter related to stress and time, thus obtaining the nonlinear variation parameters creep model of rock. The improved model is verified with data from creep test to frozen soft rock during Cretaceous period, which shows that this model can describe the rock nonlinear accelerated creep characteristics more accurately and more comprehensively.     

考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究

以北山花岗岩为研究对象,采用MTS815岩石力学试验系统开展不同温度条件下的蠕变特性试验研究。考虑温度对花岗岩特征参数的影响,结合岩石蠕变破坏过程中的损伤演化规律,提出了一种新的高温损伤流变元件。通过将高温损伤流变元件代替经典西原模型中Newton元件的方法,构建了能够描述不同温度条件下花岗岩蠕变全过程的本构模型。分析了不同温度条件下花岗岩单轴蠕变试验结果,确定了模型参数,获得了温度对花岗岩蠕变关键参数的影响规律。通过对花岗岩高温蠕变模型进行参数敏感性分析,揭示了弹性模量、黏性系数等关键参数对花岗岩蠕变特性的影响规律,并验证模型在不考虑温度及损伤的影响条件下可退化为经典西原模型。研究表明,建立的花岗岩高温蠕变本构模型可以准确地描述花岗岩典型蠕变全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段。黏性系数受损伤的影响越大,花岗岩的稳定蠕变阶段越短,越容易发生加速蠕变。     

岩石分数阶体积变形模型及其试验研究

为了可以合理地描述岩石的体积变形行为,从分数阶微积分出发,基于分数阶常黏性和变黏性系数Abel黏壶元件,提出了环向-轴向应变分数阶黏壶,构建了岩石在单三轴压缩,松弛及蠕变条件下的分数阶体积应变-轴向应变关系,得到了模型的解析解,新模型可为求解岩石的体积应变提供一种新方法。在完整砂岩、泥岩试样及单裂隙砂岩试样的单三轴压缩、松弛及裂隙花岗岩蠕变试验数据的基础上,通过拟合分析确定了分数阶导数体积-轴向应变关系模型的参数,并进行了参数敏感性分析,揭示了围压、单裂隙倾角、微分阶数及模型参数对体积应变的影响规律。结果表明,利用该黏壶构建的体积-轴向应变关系模型,不仅可以更好地描述岩石体积变形的剪缩、剪胀特性,还能够反映岩石的松弛及蠕变变形特性。     

基于等效黏弹性的变阶分数阶岩石损伤蠕变模型

基于分数阶Zener模型与时变黏性Zener模型之间的等效黏弹性,突出弛豫时间在岩石流变黏弹性演变过程中的重要性。当弛豫时间趋近于无穷大,蠕变过程中的黏性演变等同于松弛过程中的黏性演变,并且建立了与弛豫时间相关的损伤因子,解释了损伤因子在岩石流变变形过程的物理意义。利用弛豫时间建立分数阶变阶函数,依此构造变阶分数阶损伤蠕变模型,并且将模型推广到三向应力状态,给出三向应力状态下变阶分数阶损伤蠕变模型。最后基于砂岩的三轴蠕变试验数据,验证了三轴状态下变阶分数阶损伤蠕变模型的可应用性和合理性,试验数据与模型拟合曲线吻合度较高,可以较好地描述蠕变全过程力学行为。模型拟合参数的有效性得到分析和验证,增加了模型在其他复杂应力环境下的可应用性。     

基于断裂及高温损伤的岩石蠕变模型研究

为了反映热-力耦合作用下岩石蠕变变形的全过程,依据断裂力学原理提出了岩石裂纹扩展的临界损伤应力和一个新的可描述岩石在稳态蠕变阶段与临界损伤应力相关的非线性黏性分量,在传统西原模型和Burgers模型的基础上,将指数形式的损伤变量、临界损伤应力以及与其有关的非线性黏性分量引入到流变微分方程,通过叠加原理推导了考虑温度效应的单轴和三轴压缩条件下岩石的流变本构关系,建立了岩石的热-力耦合损伤蠕变本构模型。利用不同温度、不同应力条件下花岗岩的三轴蠕变试验曲线和本文蠕变模型的计算曲线进行比较,结果表明本文蠕变模型能够较好地模拟岩石在初始瞬态、稳态和加速蠕变阶段全过程的变形规律,验证了所建模型的有效性和合理性。该模型为分析高温、高应力环境下岩石工程的长期变形和稳定情况提供了理论依据。     

损伤破裂砂岩单轴蠕变特性试验研究

深部岩体工程处于高应力环境中,开挖破裂后的工程岩体在持续的高地应力作用下具有很强的时间效应,深入研究其峰后蠕变特性,具有重要的理论和实际应用价值。先采用RMT-150B型岩石力学试验系统对完整岩样进行单轴峰前屈服、峰后破裂卸载试验,制备出具有不同破裂损伤程度的峰前屈服、峰后破裂的损伤岩样;再采用RLW-2000型微机伺服岩石三轴流变仪对其进行单轴蠕变试验,研究其单轴蠕变力学特性。研究结果表明：损伤岩样波速与完整岩样相比,均出现了不同程度的降低;损伤岩样各级应力水平下,瞬时应变量均是随着应力水平的增加而逐步增加,且均符合线性函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样瞬时应变明显大于峰前屈服损伤岩样;各级应力水平下,总体上各蠕变量随着应力水平的增加而逐步提高,且均符合指数函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样蠕变量明显大于峰前屈服损伤岩样,且随着荷载水平的进一步提高,两者差异程度增加;损伤岩样各瞬时变形模量随着应力水平的增加均逐步提高,两者之间符合线性函数关系;各应力水平下对应的瞬时变形模量存在明显差异,岩样损伤程度越高,瞬时变形模量越低;各损伤岩样在各级应力水平下,改进的西原模型能够较好地模拟其单轴蠕变特征。