不同围压下岩石广义应力松弛特性试验研究

实际工程中有些岩体发生的流变性既不是纯蠕变又不是纯应力松弛,表现为应力和应变同时发生变化。利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,研究了不同围压条件下岩石的广义应力松弛特性,试验结果表明,岩石存在应变及应力同时增大、应变增大而应力减小、应变及应力都减小的情况,岩石蠕变和应力松弛行为属于岩石广义应力松弛现象的特例;在不同情况下的广义应力松弛过程中围压对岩石广义应力松弛特性的影响不甚相同,岩石轴向应变增大时围压越高岩石试件轴向变形越困难,岩石应变减小时围压越高岩石试件变形越明显。采用广义应力松弛试验方法,开展单轴及三轴压缩荷载作用下岩石广义应力松弛试验研究,对不同情况下岩石广义应力松弛特性的围压效应进行对比分析,以期对后期开展更深入的三轴广义应力松弛试验研究具有一定的指导和借鉴意义。     

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。     

球模仪测试冻土松弛模量的非线性Kelvin解答及其试验研究

冻土的松弛模量是进行蠕变力学分析的关键参数。但在理论方面, 尚未基于球模仪试验建立较完善的松弛模量表征公式。基于半空间黏弹性理论和分数阶微积分理论, 获得了松弛模量公式的非线性Kelvin模型解答并进行了材料参数影响分析。在给出恒载条件下, 可以用单轴蠕变试验的分析结果评估基于球形压痕试验的冻土松弛模量来预测准确性。随后分别以冻结细砂的球模仪试验曲线、 冻结砂和冻结砂质黏土的单轴蠕变曲线为例, 预测了各条试验曲线和冻土的松弛模量, 并通过其他试验实测数据进行了检验。结果表明： 该松弛模量表征公式的材料参数最少, 随各材料参数变化具有较佳单调性; 基于球形模板试验, 非线性Kelvin解答能对冻结细砂的松弛模量和位移曲线做出合理可靠的预测。非线性Kelvin模型能很好地吻合单轴蠕变试验曲线, 基于单轴蠕变试验的冻结砂松弛模量随时间变化规律和数值范围与球模仪试验分析结果较一致, 冻结砂质黏土的松弛模量随应力和温度的变化规律再现了已有研究结论。     

层状盐岩蠕变变形相互作用研究

考虑泥岩夹层和盐岩的弹性性质和稳态蠕变性质,通过数值试验方法计算层状复合盐岩体在单轴和低围压三轴荷载作用下蠕变变形过程中力学相互作用和变形时效规律,分析泥岩夹层和盐岩层因蠕变率不匹配对层状盐岩蠕变的影响,初步讨论了层状复合岩体的复合材料研究方法。结果表明,层状盐岩中泥岩夹层与盐岩因弹性参数不匹配产生的初始应力集中在蠕变过程中发生松弛,因泥岩夹层与盐岩层蠕变率不匹配导致两者之间应力重分布,泥岩夹层对盐岩层的蠕变有明显抑制作用。这些分析体现了层状盐岩蠕变过程的非线性性质,为建立层状盐岩体合理本构模型奠定了基础。     

南宁膨胀土非线性流变模型研究

对南宁非饱和膨胀土进行一系列的加载-卸载固结蠕变试验,得到了不同含水率的膨胀土在不同应力水平下应变-时间曲线和不同时刻的应力-应变等时曲线簇。通过对膨胀土各阶段蠕变变形的分析,得到了膨胀土的固结蠕变是包含有黏弹性变形和黏塑性变形成分的非线性蠕变。采用模型流变与经验流变理论相结合的方法,将膨胀土的蠕变变形分成线性和非线性两部分进行分析,蠕变柔量和线性黏弹性模量随时间减小,而线性黏塑性模量随时间增大。结合膨胀土的线性黏塑性模型和非线性黏塑性经验模型,建立能够描述膨胀土非线性流变的黏塑性本构方程。根据试验所得数据,通过非线性拟合方法得到各模型参数,用该模型进行数值分析得到的理论与蠕变试验结果对比非常吻合。研究成果为实际工程提供了流变变形计算分析的可靠依据。     

营口软土的固结不排水剪切蠕变特性

利用自行改装后的三轴蠕变仪对海相沉积的营口软土进行蠕变试验,获得了在不同围压、不同偏应力条件下的剪切应变与时间关系数据。分析表明:(1)固结不排水蠕变中没有体积变化,不同偏应力下剪切蠕变可用对数形式表达;(2)固结不排水剪切蠕变在低应力水平下表现为线性粘弹性,而高应力水平时则具非线性的特性。由此,提出了描述软土蠕变规律的Singh-Mitchell经验模型和五参数的广义Kelvin模型,并确定了相应的模型参数。与试验数据拟合发现:Singh-Mitchell经验模型对应力水平为20%~80%时具有较高的拟合精度;Kelvin模型中的变形模量和粘滞系数均不为常数。     

德州松软土蠕变特性及其模型研究

利用TSS10型三轴流变试验机对德州松软土开展不同围压下的三轴固结不排水蠕变试验,获得变形、应变率与应力和时间的变化关系,分析蠕变性状和特征,建立其分数阶类Maxwell蠕变模型。结果表明:德州松软土具有明显非线性蠕变特性,高应力水平的蠕变变形大于低应力下的蠕变变形;介绍分数阶蠕变模型原理,引用了分数阶类Maxwell蠕变模型,并求取德州松软土的类Maxwell蠕变模型参数和验证其描述德州松软土蠕变变形的适宜性。     

砂土地基的黏性特性及其有限元模拟

采用非线性弹塑黏性有限元法模拟了砂土地基变速率加载室内试验,再现了砂土地基荷载-沉降曲线对加载速率突变、砂土蠕变以及应力松弛等加载情况下的响应和瞬时黏性中砂土黏性随加载进行的衰减现象。在有限元分析中,以非线性三要素模型为理论框架构建了可以综合考虑砂土黏性特性的弹塑黏性本构模型,用动态松弛法进行有限元求解,最后通过有限元与室内试验的对比分析研究了砂土地基所具有的黏性特性,同时验证了非线性三要素弹塑黏性模型用于模拟砂土黏性特征的合理性和正确性。     

滨海软土剪切蠕变特性研究

为合理描述软土地区建筑物稳定性和运行安全性,采用剪切蠕变仪,开展了不同竖向荷载以及不同加荷比条件下滨海软土的剪切蠕变试验,获得不同条件下应变与应力和时间的关系,分析其剪切蠕变性状的结构性效应和影响因素,并最终建立了相应的本构方程。试验结果表明: 应力大小明显影响天津滨海软土剪切蠕变性状,低应力下只出现衰减蠕变和稳定蠕变,高应力下会产生破坏型蠕变; 低应力条件下应力-应变关系呈现出线性特性,高应力下呈现出非线性蠕变特性; 采用较小的加荷比不仅可以减少最终蠕变量,还可以使软土承载力提高。根据蠕变曲线形态特征,建议一种指数函数型蠕变模型模拟天津滨海软土的非线性塑性蠕变特性。该模型具有简单易懂,参数较少,实用性较强的特点,通过对比分析,发现此蠕变模型能很好地拟合天津滨海软土的剪切蠕变特性。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性流变模型

借鉴经典元件组合模型的建模思路,将含分数阶微积分的软体元件与弹簧元件串联,结合一个幂函数黏塑性体,提出一种新的四元件非线性黏弹塑性流变模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程,得到在不同应力条件下的蠕变曲线。可以发现,岩石稳定蠕变阶段的非线性渐变过程和加速蠕变阶段蠕变速率的快慢程度可通过调整蠕变参数进行有效地模拟。在较低应力水平时,模型能够有效地刻画岩石的初始蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性。利用该模型对试验数据拟合的结果表明,含有软体元件和幂函数黏塑性体的非线性流变模型能够有效地描述岩石的蠕变特性,减少组合模型中的元件个数和参数数量。