人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变本构模型研究

依据粉砂质泥岩三轴压缩蠕变试验结果,分析了岩石的蠕变力学特性。选取线性黏弹性Burgers模型来描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变特性。引入非线性黏塑性元件,将其与Burgers模型串联起来,建立一个新的六元件非线性黏弹塑性Burgers蠕变本构模型。采用非线性Burgers模型来描述岩石的加速蠕变特性。应用Levenberg-Marquardt算法对蠕变试验曲线进行辨识,得出各级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,表明线性Burgers模型与非线性Burgers模型可以准确描述岩石3个蠕变阶段的力学特性。模型参数辨识结果表明,在同一级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数各自独立并不统一,模型参数取值时应考虑岩石蠕变的各向异性以及轴向与径向蠕变量、蠕变速率大小的差异。在前7级应力水平下,模型参数应取以轴向应变辨识得到的Burgers模型参数;在第8级应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的Burgers模型参数;在破裂应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的非线性Burgers模型参数。     

深部围岩流变特性试验研究及其模型辨识

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300m东大巷二煤层底板粉砂岩进行了单轴蠕变特性试验,详细探讨了轴向蠕变变形特征,蠕变速率与时间和应力水平的关系,瞬时弹性模量和变形模量变化特征.试验结果表明,当应力水平低于岩石的长期强度时,粉砂岩只发生衰减蠕变,应力水平对蠕变速率变化的影响不明显;当应力水平高于岩石的长期强度时,岩石等速蠕变阶段明显.对流变试验数据进行深入分析的基础上,进行了流变模型辨识和基于最小二乘法的参数确定.根据不同应力水平下加卸载过程中岩石的蠕变特点,提出了采用改进的两原模型模拟岩石的蠕变特性.模型计算结果表明,改进后的西元模型既能够较好地描述低应力下的衰减蠕变,又能较精确地描述高应力下岩石的衰减蠕变和等速蠕变特性.     

泥质砂岩蠕变特性与锚固控制效应试验研究

通过泥质砂岩单轴压缩蠕变试验,揭示岩石蠕变变形与破坏的特点,反映了不同应力路径下的岩石蠕变速率与发展过程,建立了泥质砂岩的非线性蠕变模型,并通过对试件施加侧向刚性约束和锚固约束,以反映地下工程围岩在平面应变状态和支护状态下的蠕变特性。研究结果表明,锚固约束可以显著提高岩石发生稳定蠕变的应力阀值,减缓蠕变速率。根据改进的蠕变方程进行试验数据的拟合,确定了改进的西原模型蠕变方程中的各物理量。与单轴蠕变试验结果对比表明,该模型的计算结果与试验数据吻合较好,说明改进的西原模型可较好地反映岩石加锚后的蠕变特征。研究结果对深部地下工程围岩的变形与稳定控制研究具有重要的指导意义。     

深部人工冻结黏土三轴蠕变试验研究

通过将试样等向固结再冻结, 然后保持轴压不变进行径向卸载的实验方法, 获得深部冻结黏土在复杂应力状态下的蠕变变形规律. 对冻黏土进行了大量的三轴蠕变试验, 得到了在冻结温度不同和固结围压不同条件下的蠕变试验结果. 结果表明: 在较低的偏应力水平下, 试样只发生前两个阶段的蠕变变形, 且蠕变变形量超过总变形量的70%; 当试样偏应力值高于某一临界值时会出现加速蠕变阶段, 蠕变变形量超过总变形量的80%. 可以用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则来描述加速蠕变阶段的临界应力.     

考虑表面形貌特征的岩体结构面蠕变特性

工程岩体开挖会遇到各种复杂应力条件，岩体在荷载作用下随时间会产生流变现象，这种“累进性破坏”导致工程岩体常出现滑坡、塌方、大变形和支护困难等问题.为解释天然岩体结构面的流变现象，以天然红砂岩结构面为研究对象，基于结构面三维形貌扫描试验、结构面分级加载剪切蠕变试验，对天然岩体结构面的剪切蠕变特性进行系统研究.研究发现，岩体结构面蠕变变形量与蠕变应力和结构面三维形貌特征指标正相关；岩体结构面蠕变曲线可分为3个阶段，即过渡蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段，当法向应力一定时，结构面三维形貌特征指标越大，发生的蠕变破坏越剧烈；基于结构面剪切蠕变曲线与剪切蠕变速率曲线特征，建立了参数物理意义明确的岩体结构面剪切蠕变经验模型.      

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

基于模型理论和遗传蠕变理论的改良膨胀土非线性流变研究

为研究膨胀土非线性流变,取水泥改良膨胀土样进行长期一维压缩试验,得到了改良膨胀土在不同应力水平下的应力-应变等时曲线簇。将曲线反映的非线性流变分解为线性黏弹性蠕变变形、线性黏塑性蠕变变形和非线性黏塑性蠕变变形三部分。基于模型理论和遗传蠕变理论建立了各部分流变模型,其中在线性黏弹性蠕变变形和线性黏塑性蠕变变形部分采用模型理论建立元件模型,在非线性黏塑性蠕变变形部分运用遗传蠕变理论建立积分蠕变方程,结合试验数据拟合出材料和方程参数,用该模型得到的蠕变曲线与实测结果能较好吻合。     

温度作用下岩石的热黏弹塑性模型研究

在西原体模型的基础上,通过引入弹簧的热膨胀系数,将温度效应引入到模型中,推导了单轴应力状态下微分形式的热粘塑性本构方程。通过蠕变曲线和卸载曲线的分析,考虑了温度效应的西原体模型当应力水平较低时为稳定蠕变,存在瞬时弹性、弹性后效和由温度引起的粘性流动;当应力水平较高时为不稳定蠕变,存在瞬时弹性、弹性后效和由温度和应力共同引起的粘性流动,该模型较全面地反映了岩石在温度作用下的蠕变性质。     

基于模型理论和遗传蠕变理论的改良膨胀土非线性流变研究EI北大核心CSCD

为研究膨胀土非线性流变,取水泥改良膨胀土样进行长期一维压缩试验,得到了改良膨胀土在不同应力水平下的应力-应变等时曲线簇。将曲线反映的非线性流变分解为线性黏弹性蠕变变形、线性黏塑性蠕变变形和非线性黏塑性蠕变变形三部分。基于模型理论和遗传蠕变理论建立了各部分流变模型,其中在线性黏弹性蠕变变形和线性黏塑性蠕变变形部分采用模型理论建立元件模型,在非线性黏塑性蠕变变形部分运用遗传蠕变理论建立积分蠕变方程,结合试验数据拟合出材料和方程参数,用该模型得到的蠕变曲线与实测结果能较好吻合。     

软岩非线性蠕变损伤模型及其试验研究

为了反映软岩蠕变全过程,进行红层泥岩蠕变力学试验,试验发现弹性模量随时间的增长而逐渐衰减,黏滞系数在应力恒定且并未达到屈服应力的情况下,随时间的增长而逐渐增大。因此认为传统理论流变力学中的蠕变损伤处理方法不适用于将黏滞系数进行损伤演化,故引入分数阶微积分来描述软岩蠕变的黏弹性和黏塑性应变。通过构建一个考虑蠕变时效损伤的弹性体,并将其与基于分数阶微积分的黏滞和黏塑性体进行串联,从而建立一个新的非线性蠕变损伤模型。依据红层泥岩和相关文献中冻结软岩及红砂岩的蠕变试验数据,通过该软岩蠕变损伤模型对其进行辨识,充分显示出所建模型的合理性和适用性。     

白垩系饱和冻结砂岩蠕变试验及本构模型研究

冻结法作为穿越富水软岩地层的重要施工方法,冻结壁的长期稳定性对于工程安全有着至关重要的作用。蠕变破坏是诱发冻结壁变形的显著特点之一,对研究冻结岩石蠕变的特性有重要的理论和工程意义。以白垩系饱和冻结砂岩为研究对象,开展–10 ℃低温冻结条件下,不同围压（0、2、4、6 MPa）的三轴蠕变力学试验。分析了饱和冻结砂岩蠕变变形,根据现有黏弹塑性模型开展了参数辨识并探究蠕变参数的变化规律,基于此提出考虑温度及损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明：低温冻结削弱蠕变过程中颗粒间的相互胶结力,使其蠕变特征明显;而围压却在一定程度上抑制饱和冻结砂岩内部损伤的发展,导致稳态蠕变速率随围压的升高出现明显的下降趋势。随围压的增加饱和冻结砂岩的蠕变破坏形态呈现出从剪切破坏到张拉破坏再到局部塑形硬化破坏的变化过程。在黏弹塑性模型的基础上,总结蠕变参数 、 和 随荷载的增加呈现先增后减的趋势,拐点为屈服应力;而参数 在大于屈服应力后出现并呈现先增后减的趋势。结合冻结岩石蠕变数据对定义的应力-低温耦合蠕变本构模型进行了参数辨识,并将该模型的计算结果与蠕变试验数据对比,验证所建立非线性模型的正确性与合理性。     

一种基于修正西原模型的冻土蠕变本构关系

冻土在高应力水平下通常会表现出加速蠕变特性。经典西原（Nishihara）模型可以反映衰减蠕变和稳态蠕变,但不适用于描述加速蠕变。通过对Nishihara模型中黏性元件进行修正,将黏弹性元件中的定常的黏滞系数修正为时间的函数,并在黏塑性元件中采用非定常、非牛顿黏性元件,得到的蠕变柔量可以考虑应力水平和时间的影响,使其能够反映其加速蠕变的过程。用提出的模型分别对一维和三维应力、不同应力水平下的冻土蠕变试验数据进行了拟合,拟合结果能够反映冻土从衰减蠕变和稳定蠕变状态进入加速蠕变的过程,说明了该模型对于描述冻土在不同应力下不同蠕变状态的适用性。     

冻融循环作用下砂岩蠕变特性及损伤模型研究

青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。     

A fractional order creep constitutive model of warm frozen silt

A series of triaxial creep tests were conducted on warm frozen silts extracted from Qinghai–Tibet Plateau at temperature of ?1.5 °C under confining pressures of 0.5, 1.0, and 2.0 MPa, respectively. The applied test stress levels were 30, 50, 60, and 70% of triaxial shear strength, respectively. The test results indicate that the creep strain increases with the increase in applied stress level and there is a stress threshold, based on which the test results can be classified into two types of creep strain curves. The creep strain curve only includes primary and secondary creep stages when the stress level is less than the threshold value. When the stress level exceeds the threshold value, the creep strain velocity gradually increases and the specimen quickly fails in tertiary creep stage. Based on the creep test results, a fractional order rheological element model is established for warm frozen silt, which is also generalized from uniaxial stress state to the three-dimensional stress state. From the analysis on the features of the stress threshold, a creep strength criterion is also proposed simultaneously. Comparing the calculated results of the warm frozen silt with the tested ones, it is found that the predicted results of the proposed model are in good agreement with the test results. In the proposed fractional order model, the relationship between the damage factor and time is established to describe the damage degree of the specimen. Compared with the existing creep constitutive model of frozen soil, the proposed fractional order model has advantages of fewer model parameters, higher simulation precision and wider applicability in analyzing the mechanical properties of warm frozen silt.     

考虑水化学损伤的砂岩流变损伤本构模型

通过对已有的水化学溶液腐蚀作用后红砂岩三轴蠕变试验结果的分析,可知水化学作用能够加快岩石损伤的发展,增强红砂岩的蠕变效应。根据水岩化学作用的动力学理论,将红砂岩中可溶解胶结物的流失作为水化学腐蚀作用下岩石力学性能劣化的根本原因。通过化学反应速率方程和测定浸泡过程中溶液pH值的变化,定义了考虑初始pH值和时间的化学损伤因子。考虑流变过程中的应力损伤,基于广义Kelvin模型,提出了考虑水化学作用的砂岩流变损伤本构模型。通过对水化学作用下红砂岩流变试验结果进行模拟,对该模型进行了参数辨识和验证。结果表明,所提出的模型能够较好地反映水化学作用下砂岩的流变特性,具有有效性和合理性。     

冲击荷载下红砂岩非线性黏弹性损伤本构研究

根据红砂岩在冲击荷载作用下应力曲线表现出的明显的分段特征,以朱王唐本构模型为基础进行改进,建立了一种非线性体、Maxwell体和基于Weibull分布的损伤体并联的本构模型;根据红砂岩动态力学特性,对朱王唐本构模型进行简化,并基于Lemaitre等效应变假设推导出一种率型损伤本构方程。对两种新建本构方程进行试验验证,讨论其适用性并对比分析各参数对试验数据拟合结果的影响,结果表明,基于Weibull分布的非线性黏弹性损伤本构方程能很好地对常温及冻结状态下红砂岩峰前以及整个应力曲线的动态力学性能进行表征,而基于Lemaitre等效应变假设的损伤本构方程只可对红砂岩峰前应力部分进行解答,对整个应力曲线的表征存在一定的局限性。