基于硬化参量的盐岩蠕变疲劳本构模型

盐岩具有较好的蠕变特性和损伤自恢复性,被公认为储能或油气储备的理想介质。对盐岩复杂力学行为进行准确表征和预测是保障盐穴地下空间利用工程安全性的基础。通过定义硬化参量等特征因子,建立了新的能够考虑复杂加卸载路径的盐岩蠕变疲劳本构模型。基于盐岩变形位错机制,引入双曲线阻尼元件,作为表征岩石硬化程度的状态变量;通过硬化参量的演化,考虑加卸载历史对盐岩变形行为的影响。借鉴经典Norton模型的应力-应变关系建立蠕变疲劳本构的基本框架关系。通过引入裂隙扩展因子,假设初始形核长度,考虑材料的断裂韧度,修正邻近破坏阶段(加速变形阶段)的应力-应变关系。该模型能够很好地预测常规蠕变、循环加卸载、下限间隔循环加卸载、梯形波蠕变循环加卸载等常见复杂加卸载路径下的塑性变形特征,且能够较好地表征恒荷载蠕变与循环加卸载之间的相互影响。新的蠕变疲劳本构模型中大部分参数具有较为明确物理意义,参数a表征盐岩稳态变形阶段应力与变形率的关系因子,参数b为确定盐岩第一阶段减速变形阶段的关系因子,参数d₀和μ_d分别表示初始裂纹形核量和裂隙扩展速率因子,共同修正模型临界破坏阶段的应力...     

盐岩蠕变特性和本构关系研究

对金坛盐岩蠕变规律进行了试验研究,分析了不同应力状态和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过试验获取了蠕变曲线和蠕变特征参数。根据其蠕变曲线特征,用黏弹塑性理论建立了盐岩蠕变本构模型。试验结果表明,稳态蠕变率是偏应力和温度的非线性函数关系,并提出盐岩的稳态蠕变本构方程。通过试验数据拟合得到本构方程中的参数,将理论和试验结果进行比较,结果表明两者的吻合性较好。     

基于细观分析的黏土本构模型

根据黏性土在固结排水条件下的加、卸载变形特征,分析了孔隙水,固体骨架在不同变形阶段的力学响应行为,按照细观力学分析中的自洽方法,建立了在固结排水条件下的黏土损伤本构模型。模型中考虑了孔隙水和固体骨架在加、卸载阶段的不同特性,认为在损伤阶段整体剪切模量的降低是由固体骨架颗粒接触面滑移而引起,与骨架中滑动相的体积百分比和滑动相的剪切模量有关,并给出了求解整体变形模量的解析方法,最后将模型预测与不同初始固结压力,不同应力路径的排水试验结果作了比较,证明该模型是合理的。     

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。     

基于广义位势理论的接触面本构模型一般表述

基于广义位势理论建立的岩土体材料本构模型以及岩土体材料与结构接触面本构模型原理相通,只是前者是在三轴剪切试验条件下的三维应力空间建模,后者是在单剪试验条件下的二维应力空间建模。单剪试验条件下土与结构的接触面问题可以看作是法向与切向应力空间上的二维问题,其试验结果可以表达成由应力、应变组成的二维矢量。结合接触面力学特性,确定应力空间中的势函数以及塑性状态方程,可以推导出双重势面接触面弹塑性本构方程的一般表达式。进一步取两个势函数分别为法向应力和切向应力,建立简化双重势面接触面弹塑性模型的本构方程,该方程可直接应用于有限元等数值分析。结合试验实例对建模方法的合理性进行验证,模型拟合效果良好。研究结果表明,基于广义塑性位势理论建立接触面本构模型无需推求塑性势函数和屈服函数,可以直接得到弹塑性刚度矩阵,且建模方便。     

川东气田盐岩、膏盐岩蠕变特性试验研究

对川东气田盐岩、膏盐岩进行了矿物组分测定,采用TAW-1000深水孔隙压力伺服试验系统进行了蠕变试验,分析了固有的矿物组分及偏应力、温度、围压对蠕变的影响,结合蠕变曲线和岩石参数,提出了稳态蠕变速率本构方程。研究表明：川东气田盐岩、膏盐岩矿物组分以NaCl、CaSO4为主,其中NaCl含量最高可达93%以上;岩石固有的矿物组分是影响岩石蠕变特性的内因,随NaCl含量增加,瞬态蠕变、稳态蠕变速率相应增大;随偏应力、温度的增加稳态蠕变速率增大,围压对其影响不大;通过试验数据拟合得出赫德（Heard）蠕变本构方程中的参数,求出不同偏应力、温度下盐岩、膏盐岩的稳态蠕变速率,为川东气田盐岩、膏盐岩地层安全钻进泥浆密度窗口计算和套管非正常变形分析提供了理论依据。     

水泥土细观破裂过程的损伤本构模型

根据对饱水环境中水泥土力学特性的宏观试验和细观破裂过程试验研究,建立了水泥土细观孔隙损伤变量和损伤本构模型,该水泥土的损伤变量不仅与水泥土的初始损伤有关,而且与水泥土微小孔隙中的孔隙水的密度有关,所建立的损伤本构模型与饱水情况下水泥土的单轴压缩试验曲线进行了对比,分析结果表明,所提出的水泥土细观孔隙损伤本构模型与试验值基本吻合,很好地描述了水泥土的损伤演化特性。     

盐岩流变损伤特性及本构模型研究

借助盐岩单轴流变-声发射试验,分析了流变3个特征阶段与声发射事件数的对应关系,并基于Weibull分布构建了声发射事件数随加载时间的关系式,进而获得了损伤变量的演化关系式。对盐岩流变-声发射试验及流变-超声波试验数据拟合分析表明,该损伤变量表达式具有很好的适用性。进一步对损伤表达式中的参数进行了敏感性分析,揭示了形状参数、尺度参数对损伤值的影响规律。引入分数阶微积分理论及损伤理论,构建了基于损伤的Abel黏壶本构关系,通过替代西原模型中Newton黏壶的方法,求解获得了盐岩分数阶流变本构模型。由盐岩单轴流变试验曲线拟合分析可知,分数阶流变模型能很好地描述盐岩流变的3个特征阶段,尤其是加速流变阶段,且验证了西原模型为分数阶流变模型的一种特殊形式。     

考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

混凝土损伤塑性本构模型研究

提出了一种新的损伤塑性本构模型,强调了应力三轴比对塑性屈服的影响.采用本研究设计的专门用于本构校验的计算机软件,对上述模型的应力应变加载曲线进行了数值模拟,数值结果与实验结果吻合得比较好.     

层状盐岩体的三维Cosserat介质扩展本构模

考虑到深部地下岩土工程一般是较复杂的三维问题,在层状盐岩体二维Cosserat介质扩展本构模型基础上,针对不同岩层交替而成的互层盐岩体,建立了宏观平均意义下考虑细观弯曲效应的三维Cosserat介质扩展本构模型,并给出了模型的初步试验验证。该模型既能分析硬（软）夹层对层状盐岩体刚度的强化（弱化）作用,又能考虑由于夹层的存在而导致的层状盐岩构造体宏观意义下力学特性的各向异性,为层状盐岩体及其他层状介质变形和破损分析提供了一种新的思路和方法。该模型可直接推广到非线性问题。结合数值分析软件可进行层状介质体内复杂洞室稳定性分析。     

岩石粘弹塑性模型的研究

根据岩石粘聚力在流变中的作用提出了新的流变机理,建立了新的一维粘弹塑性本构模型,推导了相应的一维蠕变本构关系和相应的一维松弛本构关系,并对蠕变实验结果进行了模拟,结果表明该模型能够反映岩石流变的全过程和模拟岩石蠕变中的第三蠕变,可以避免建模中的模型识别过程,反映岩石流变的机理,物理意义明确,适用范围广。实验证明该模型是合理的。     

温度效应对盐岩力学特性影响的试验研究

对经历不同温度后盐岩的力学性能进行了试验研究,分析了盐岩应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量等的变化情况。分析结果表明,温度对盐岩的物理力学特性影响较大,随着温度的升高,盐岩的力学性能劣化明显,峰值应力和弹性模量降低,峰值应变增加;峰值应力可以表示成围压与温度的函数,并从盐岩弹性模量随温度的变化规律入手,导出了热损伤演化方程和一维TM耦合损伤本构方程。     

一种盐岩流变损伤模型

在Carter流变模型基础上,引进损伤,提出了“损伤增速界限”的概念,从而,建立了一种盐岩流变损伤模型,并根据实验数据验证了模型的正确性。研究表明,这种盐岩流变损伤模型,不但能很好地反映高应力水平下盐岩的流变损伤特性,而且,也能真实地描述低应力水平下盐岩的初始蠕变损伤和稳态蠕变损伤。 损伤增速界限对损伤演化和蠕变发展影响很大,关系着加速蠕变的发生与否。研究还表明,不同产地、不同实验条件下表述盐岩损伤的参数离散性不大,该模型的应用范围较广。     

岩体结构面新型本构模型研究

对于涉及需要单独考虑岩体结构面的工程岩体结构分析,采用能反映岩体结构面主要力学特性的合理的本构模型是取得合理解答的关键问题之一。针对在经典连续介质力学理论框架内建立岩体结构面本构模型的缺点,基于岩体结构面的实际受力变形特性,采用直接法建立了一种新型岩体结构面本构模型。所建立的模型依据岩体结构面切向应力变形曲线及剪胀曲线的实际特征,将其分为峰前线性段、峰前非线性段以及峰后软化段,并分别给出了用于描述岩体结构面变形和强度等主要力学特性的数学模型,进而推导建立了结构面各变形阶段的增量型本构模型。最后,编写相关计算程序,采用所建立的新型本构模型以及被广泛采用的Plesha模型对经典的岩体结构面直剪试验成果进行拟合分析。结果表明,所建立的新型本构模型能更为合理的描述岩体结构面的主要力学特性,且模拟能力优于Plesha模型     

基于改进Bingham模型的软岩参数非定常三维非线性黏弹塑性蠕变本构研究

传统线性元件组合模型难以描述岩石非线性加速蠕变阶段特性,给工程应用带来了巨大困难。提出一种新的应变触发非线性黏壶元件,并将其与Bingham模型串联,建立了可以描述岩石等速和加速蠕变特性的一维本构模型,进而推导出相应的三维蠕变本构模型,再将三轴压缩过程中岩石弹性模量的衰减方程引入该三维蠕变本构方程,得到一个能反映岩石蠕变全过程特性的三维非线性黏弹塑蠕变本构模型,根据泥岩蠕变试验数据对该模型参数进行了辨识。模型理论计算值与泥岩蠕变试验数据的对比表明改进的Bingham模型不仅可以充分反映软岩的等速蠕变特性,还可以很好地描述软岩的衰减和加速蠕变规律,且模型元件少,组合形式简单,为软岩非线性蠕变本构模型研究提供了新的借鉴。