A Caputo variable-order fractional damage creep model for sandstone considering effect of relaxation time

Acta Geotechnica - Establishing a fractional creep model with few parameters and explicit physical interpretation is of significant meaning for predicting rheological deformation of rock. In this...     

冻结红砂岩非线性蠕变模型的研究

对-10℃的冻结红砂岩进行了单轴蠕变试验,应力水平依次为0.36、0.45和0.54,发现当应力水平为0.36和0.45时,红砂岩蠕变为稳定蠕变,当应力水平为0.54时,蠕变为不稳定蠕变。应力水平越高,蠕变达到稳定的时间越长。对蠕变曲线的导函数进行分析,发现红砂岩不稳定蠕变的加速阶段门槛值为13 h。通过对实测数据的拟合,得到了3个应力水平下红砂岩蠕变的经验方程。由开尔文体、改进麦克斯韦尔体和改进陈沅江体串联组成了理论模型,并得到了模型参数,理论曲线与实测曲线吻合较好,能够较好地反映冻结红砂岩的蠕变规律。试验结果为采用冻结法施工的矿井评价冻结壁的稳定性提供了相应的参考。     

岩石蠕变的非定常分数伯格斯模型

型的伯格斯（Burgers）模型只能描述岩石第3期以前的蠕变规律。分数单元利用分数阶导数定义,是一种介于弹簧和黏壶的力学元件。用分数单元代替伯格斯模型中并联的黏壶,给出分数伯格斯模型。为了描述加速蠕变阶段,把分数伯格斯模型中串联的黏壶看成与时间有关的非定常参数,给出非定常分数伯格斯模型及相应的本构方程和蠕变柔量。串联的非定常黏壶关闭、开启时,模型分别适合描述前两期和包含第3期在内的蠕变规律。用模型拟合不同应力下的蠕变试验数据,都可给出较好的描述,说明非定常分数伯格斯模型能够很好地描述蠕变曲线中的初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,证明了该模型的正确性和合理性     

基于Burgers模型的岩石非定常蠕变模型

伯格斯（Burgers）模型适合用来描述岩石第三期以前的蠕变曲线。为了描述整个蠕变过程,可以考虑力学参数的时间效应,用非定常黏壶替换Burgers模型中的定常黏壶,给出一种非定常Burgers模型,并推导出它的蠕变柔量,实验数据拟合表明该模型能较好地反映岩石的试验曲线     

A two-dimensional snow creep model for alpine terrain

The paper is focused on the investigation of snow creep and settlement of alpine snowpacks. A detailed investigation of the constitutive behavior of snow for long-term creeping under low-strain rates is provided. The snowpack is considered as a compressible, viscous fluid. An assumption for a temperature and density-dependent viscosity and viscous Poisson ratio is provided in this paper, based on observations in nature and laboratory. The provided model is particularly applicable for settlement calculation of seasonal alpine snowpacks and computation of reaction forces on obstacles. The model is evaluated by numerous laboratory and field experiments. Different case studies are provided in this paper.     

一种横观各向同性岩体蠕变模型

层状岩体由于层理面或者结构面的存在,在力学上具有横观各向同性的特点,现有的各向同性蠕变模型难以全面反映横观各向同性岩体的蠕变力学特性。为构建能够反映横观各向同性岩体的三维蠕变模型,以能反映瞬时应变、减速蠕变和稳态蠕变特征的黏弹性Burgers模型为基础,基于常泊松比假定,在三维各向同性蠕变本构方程的基础上,按照算子替换的方法,将横观各向同性柔度矩阵代替各向同性柔度矩阵,并考虑了平行和垂直层理方向岩体蠕变力学行为的差异性,推导了横观各向同性岩体的三维蠕变本构方程。根据本构方程的特点,提出了根据平行和垂直方向岩体蠕变试验结果进行三维蠕变本构模型中蠕变参数的辨识方法。将提出的模型应用于三轴蠕变试验参数辨识,从而获得了一套完整的三维蠕变参数,并与试验结果进行对比分析,从而验证了所提模型与方法的合理性和有效性。进一步,指出了传统蠕变试验设计方案的局限性,给出了横观各向同性材料蠕变试验设计建议。研究成果为研究岩体三维蠕变机制提供了新思路,可对岩体蠕变试验设计提供相应的科研支撑。     

土体蠕变的新模型

本文提出一个新的模型来表征各类土的蠕变行为,共有如下发现:经模型变换后的蠕变试验的应变时间曲线在双对数轴上是一条直线,其斜率为模型的指数n值,且n的取值与模型的参考量无关;该模型不仅适用于本文的三类土(高塑性土、低塑性土、无塑性土),还适用于其他学者的蠕变试验数据,所有的数据都支持n值与应力水平无关,n可以被看作表征土的蠕变特性的一个指标;各类土的n值应力水平曲线相互比较,表明n值不与土的塑性指数直接相关,高塑性土边坡和挡土结构的破坏,不能简单归因于高塑性土的蠕变;n值应力水平曲线还表明,土体的蠕变参数(n值)与应力水平无关,任何应力水平下土体都在蠕变。     

含泥质致密砂岩储层三孔隙导电模型

泥质的存在及复杂的孔隙结构导致致密砂岩储层导电规律的复杂性,给其饱和度评价带来了极大的困难,而储层饱和度评价的关键在于岩电参数的准确获取.前人关于储层胶结指数m的研究大多侧重于复杂孔隙结构的影响,对泥质影响则涉及较少.笔者基于Waxman-Smith泥质砂岩导电模型及Aguilera三孔隙导电模型,利用串并联导电理论建立了含泥质致密砂岩三孔隙导电模型,提出了准确描述由泥质、裂缝、非连通孔洞构成的致密砂岩导电规律的方法.采用单因素分析法研究泥质及复杂孔隙结构对胶结指数m的影响,发现m随着裂缝孔隙度的增大而减小,随着孤立孔洞孔隙度的增大而增大,随着泥质含量的增大而减小.岩芯实验数据验证表明,文中给出的模型能够准确描述含泥质致密砂岩储层的导电规律以及定量评价胶结指数m.     

A constitutive law for rock salt based on creep and relaxation tests

Summary The paper deals with uniaxial relaxation tests on rock salt which are the basis for a constitutive equation. Since so far no regard was paid to relaxation behaviour, corresponding test results are not available and hence a special device for performing of uniaxial relaxation tests had to be constructed. Some interesting test results are discussed in the paper. These results are useful for the verification of constitutive equations. A critical analysis of conventional constitutive laws and their fundamentals shows that these material laws have considerable imperfections and are rested on substantial restrictions. Particularly, they are not able to describe relaxation behaviour sufficiently. Consequently, a constitutive law is proposed consisting of a strain hardening approach with separate creep and relaxation functions. By post-calculation of different laboratory tests it could be shown that in comparison to conventional steady-state creep equations this material law describes the viscous behaviour of rock salt more realistically.     

锦屏二级水电站岩石夹层非定常参数剪切蠕变模型及参数识别研究

通过对锦屏二级水电站岩石夹层的剪切蠕变试验结果分析,提出了非定常参数的Burgers蠕变模型。由于对部分参数考虑了其值随时间改变的特性,该模型不仅能够反映岩石夹层的加速蠕变过程,而且能比定常参数Burgers模型更好地描述初始蠕变和稳态蠕变过程。由于非定常参数Burgers模型的参数较多,参数辨识不宜采用迭代法或者最小二乘法等线性优化方法,而采用基于随机搜索的粒子群算法,并取得了较好的效果。     

基于Burgers模型考虑损伤的非定常岩石蠕变模型

Burgers模型只能描述岩石蠕变的前两个阶段,为了描述蠕变全过程,考虑蠕变参数的时间效应及损伤带来的影响,采用非定常黏性元件取代Burgers模型中串联的定常黏性元件,使其能描述加速蠕变阶段。根据损伤变量的变化特征,假定了一个函数,经过Lemaitre应变等效原理,代入Kelvin模型可得到能描述蠕变衰减阶段的模型。试验数据拟合结果显示,改进的Burgers模型能很好地描述加速蠕变阶段,模型拟合曲线与试验曲线基本吻合,相关系数高,参数取值也在合理范围内;非定常Burgers模型更适合描述不同应力下的岩石蠕变特征曲线。     

考虑温度影响的冻土蠕变本构模型

冰作为冻土的基本组成部分,对冻土蠕变的加速蠕变阶段有重要影响。温度通过影响冻土中冰的冻结与融化过程,及其黏塑性流动,引起冻土结构的强化与弱化,从而成为了决定冻土蠕变力学行为的关键因素之一。同时,外部应力也造成冻土的强化与弱化,影响着冻土的蠕变。通过引入硬化因子与损伤因子来考虑温度、应力造成的冻土材料强化与弱化。硬化因子H代表了蠕变过程中强化效应的大小,而损伤因子D则代表了由弱化效应造成的冻土材料相关参数的折减比例,进而提出了适用于冻土的改进西原蠕变本构模型。该模型预测值与试验数据的比较表明：改进的模型不仅能较好地描述初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段,而且相比于传统模型,能更好地描述冻土加速蠕变阶段,具有合理性与一定的实用性。     

基于硬化-损伤机制的贫煤蠕变本构模型研究

岩石蠕变是其内部硬化效应和损伤效应共同作用演化的结果。通过分级加载下贫煤单轴压缩蠕变试验,基于试验中瞬时弹性模量增大和黏滞系数减小的现象,分析贫煤蠕变中的硬化-损伤机制。结果表明,较低应力下煤样的变形仅为瞬时应变,煤样仅有硬化效应;当应力达到蠕变起始应力阈值时煤样逐渐出现损伤,次生裂纹出现并扩展,硬化效应与损伤效应共同作用下煤样表现出衰减蠕变和稳定蠕变特征。长期蠕变过程中煤样强度经历先硬化再弱化的过程,最终因累计损伤过大而失稳破坏,依据各级应力下煤样的变形特征,构建了符合其变形规律的黏弹塑性组合模型,并引入了硬化函数和损伤函数,推导得到其蠕变本构方程。采用该模型描述分级加载下贫煤单轴压缩蠕变变形曲线,试验曲线和模型曲线吻合良好。该模型元件简单,物理意义明确,能很好地反映贫煤单轴压缩下的硬化–损伤蠕变特性。     

岩石内变量蠕变模型研究

通过一系列砂岩、页岩和辉绿岩室内蠕变试验,获得了不同应力和初始应变状态下岩石蠕变特性。通过误差分析讨论了计算蠕变速率时如何选择时间增量。讨论了复杂加、卸载条件下时间相关蠕变模型的局限性,提出采用不可恢复应变作为内变量来描述复杂条件下岩石蠕变性质,并据此提出了岩石的内变量蠕变模型。试验数据与模型拟合结果对比表明,内变量蠕变模型较好地反映了3种岩石的蠕变行为。此外,还初步讨论了模型在岩石率相关性质研究中的适用性,并利用相关试验数据进行了验证。     

考虑初始损伤和蠕变损伤的岩石蠕变全过程本构模型

考虑到天然岩石存在不同程度初始损伤以及蠕变过程中岩石受载后裂隙扩展而导致的新损伤,对具有初始损伤的岩石蠕变特性进行全面描述。根据不闭合结构面应力与法向变形之间的关系,提出裂隙岩石塑性变形体元件,描述岩石蠕变过程中的瞬时塑性变形。引入初始损伤影响因子,建立具有初始损伤的岩石损伤变量演化方程,构建模拟岩石加速蠕变的蠕变损伤体元件。将裂隙岩石塑性变形体和蠕变损伤体与描述瞬时弹性变形和黏弹性变形的广义开尔文模型进行串联组合,形成能够反映具有初始损伤的岩石瞬时弹-塑性变形、稳定蠕变和加速蠕变的蠕变全过程本构模型,提出了进行少量蠕变试验既能解析模型参数的方法,在不同应力水平下模型理论曲线与蠕变试验曲线吻合。     

干燥与饱水状态下砂岩的剪切蠕变特性研究

以武汉越江隧道为工程背景,对干燥和饱水砂岩进行了剪切蠕变试验,并从剪切蠕变应变特征和剪切蠕变物理力学特性两方面进行了对比分析,重点阐述了水对砂岩剪切蠕变特性的影响,同时对其影响机制进行了相应的分析。结果表明,水能够增大砂岩的蠕变应变量和蠕变应变速率,并降低蠕变破坏强度值。因此,在重要工程设计和施工中,不能够忽视水对砂岩蠕变特性的影响。     

Experimental creep tests and prediction of long-term creep behavior of grouting material

Rock reinforcement systems, such as resin-grouted rock bolts, display complex creep behavior because both grouting materials and bolts show time-dependent behavior. In this paper, only the time-dependent behavior of grouting material was investigated, in which creep tests of grouting material was conducted in triaxial compression apparatus at room temperature. The test specimens were provided from the Araldite epoxy resin used in rock reinforcement. We attempt to predict long-term creep parameter using triaxial creep tests and to define time-dependent characteristics of the bounding material. In short-term creep tests, three different axial and confining stress levels were applied in steps to each specimen. The transient creep for all the stress levels were described by power function which fit properly to time–strain curves. The maximum difference between the proposed model and experimental long-term creep strain was less than 7.1 %. It was observed that the creep rate of a grouting material specimen directly depends on the deviator of stress (i.e., σ₁–σ₃).     

采用分数阶导数描述软黏土蠕变的模型

按遗传流变理论来推导软黏土的蠕变模型,提出了一种新的蠕变核函数形式的选取方法,即用修正Burgers模型的导数形式作为蠕变核函数,随着参数取值的不同,该经验模型能模拟蠕变发展到不同阶段的蠕变曲线,探讨了该模型能精确描述软黏土的蠕变变形的原因,模型具有参数少、物理意义明确,适用性强的特点,能有效地描述湛江软黏土的蠕变特性。该研究内容也是对分数阶微积分进行应用研究的一种新的尝试。     

An internal variable model for the creep of rocksalt

Summary The creep strain rate of rocksalt, like that of other ductile crystalline materials, can be described by a power law equation of the type ( ) ⁿ , where the active stress is the difference between the total deviatoric applied stress and an internal stress _i . In this paper, the origin and the nature of this internal stress, which develops during inelastic deformation of the material, are discussed. It is shown that this internal stress can serve as an internal (or state) variable in the constitutive model of rocksalt, which reflects the microstructure evolution of the material under the competitive action of hardening and recovery mechanisms.An analysis of experimental data, both our own and those taken from the literature, demonstrates that such a law is able to correctly reproduce rocksalt creep test results in the steady-state domain. The proposed model is in accordance with the macroscopic and microscopic behavior of salt, and with direct measurements of the internal stresses made by others on this material.