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。     

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。     

绿片岩软弱结构面剪切蠕变本构模型研究

基于岩石双轴流变试验机得到的具有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩剪切蠕变试验曲线,对绿片岩软弱结构面的长期强度特性和加速蠕变特性进行研究,并在此基础上提出了1个新的非线性剪切流变元件,将该元件与西原模型串联起来,建立1个新的非线性黏弹塑性剪切流变模型,以充分描述绿片岩软弱结构面的剪切流变特性,采用绿片岩软弱结构面加速蠕变曲线,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行了辨识,得到了绿片岩软弱结构面非线性黏弹塑性流变模型的参数,对流变模型与试验结果进行比较,结果表明,所建立模型是正确合理的。     

一种改进的岩石蠕变本构模型

岩石的蠕变曲线通常可以分为衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段。经典的岩石蠕变模型通常包含牛顿黏壶而不是非牛顿黏壶,它们不能描述岩石整个蠕变过程。提出一种改进的岩石蠕变模型,该过程分为3步。首先,用非牛顿黏壶代替Kelvin模型中的牛顿黏壶,给出一种修正的Kelvin模型用来描述衰减蠕变和稳态蠕变。其次,用一种非定常、非牛顿黏壶和塑性体并联的黏塑性体,给出一种经验函数用来描述加速蠕变。再次,用描述瞬时弹性应变的虎克弹簧、修正的Kelvin模型和黏塑性体的串联,给出一种改进的岩石蠕变本构关系及相应的蠕变函数。黏塑性体关闭时,所得蠕变函数可以描述衰减蠕变和稳态蠕变。黏塑性体开启时,蠕变函数可以描述包含加速蠕变在内的3个阶段的岩石蠕变。用给出的蠕变函数拟合了不同应力下的蠕变试验数据,都给出了较好的描述,说明模型具有一定的合理性和适用性。     

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。     

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。     

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。     

基于应变软化指标的岩石非线性蠕变模型

研究并提出一种以应变软化指标为基础的岩石非线性蠕变模型。首先,基于岩石三轴压缩试验结果,分析提出一种峰后应变软化指标R1来描述岩石峰后力学参数软化与塑性变形间的关系。接着,通过分析加速蠕变阶段与峰后段的联系,建立加速蠕变应变软化指标R2,并以此为基础构建非线性黏塑性体。然后,将其与Hook体和Kelvin元件串联,组建非线性蠕变模型,并将模型嵌入ABAQUS有限元程序。最后,针对砂岩和泥岩三轴蠕变试验建立数值模型,模拟曲线与试验曲线吻合良好,说明所建模型适用于硬岩/软岩加速蠕变现象的模拟。其中,参数 对加速蠕变曲线形态起调节作用,显示模型模拟脆性?延性流变破坏的特点。另外,模型参数均可由常规压缩破坏试验以及蠕变试验确定,易于获取。     

绿片岩三轴流变力学特性的研究(II):模型分析

首先,基于在岩石全自动流变伺服仪上得到的绿片岩三轴流变试验曲线,采用五元件线性粘弹性模型对表现为粘弹性流变特性的曲线进行了辨识,获得了绿片岩的粘弹性流变参数;然后,提出了一个新的非线性粘性元件,并将其与塑性体并联起来,得到一个新的非线性粘塑性体(NVPB),该体能充分反映岩石的加速流变特性:同时,将NVPB模型与五元件粘弹性模型串联起来,建立了一个新的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型。采用绿片岩加速流变全过程曲线,对提出的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型进行了辨识,得到了岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型的材料参数。流变模型与试验结果的比较,显示了所建模型的正确性与合理性。     

Time-Dependent Behavior of Diabase and a Nonlinear Creep Model

Triaxial creep tests were performed on diabase specimens from the dam foundation of the Dagangshan hydropower station, and the typical characteristics of creep curves were analyzed. Based on the test results under different stress levels, a new nonlinear visco-elasto-plastic creep model with creep threshold and long-term strength was proposed by connecting an instantaneous elastic Hooke body, a visco-elasto-plastic Schiffman body, and a nonlinear visco-plastic body in series mode. By introducing the nonlinear visco-plastic component, this creep model can describe the typical creep behavior, which includes the primary creep stage, the secondary creep stage, and the tertiary creep stage. Three-dimensional creep equations under constant stress conditions were deduced. The yield approach index (YAI) was used as the criterion for the piecewise creep function to resolve the difficulty in determining the creep threshold value and the long-term strength. The expression of the visco-plastic component was derived in detail and the three-dimensional central difference form was given. An example was used to verify the credibility of the model. The creep parameters were identified, and the calculated curves were in good agreement with the experimental curves, indicating that the model is capable of replicating the physical processes.     

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.     

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。     

软岩流变的一种新力学模型

软岩在低应力水平下表现为弹性和粘弹性;在较高的应力水平下表现为弹性、塑性和粘弹性;在高应力水平下表现为弹性、塑性、粘弹性和粘塑性。为了对其进行全面描述,首先,提出了两种非线性元件-蠕变体和裂隙塑性体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合流变力学模型。然后,通过其采用的软岩蠕变的分级增量循环加卸载试验证明,该模型可很好地描述软岩在不同应力水平下的蠕变特性特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,可在工程实际中推广应用。     

海相沉积软土蠕变BP神经网络本构模型

海相沉积软土具有很强的蠕变特性,传统分级构建蠕变本构模型方法不实用,且很难真正反映岩土流变的非线性特性。为此,本文引入具有超强非线性映射和容错能力的BP神经网络模型,通过改进BP算法,根据江门软土的室内直剪蠕变试验结果,建立了海相沉积软土BP神经网络蠕变本构模型,避免了传统方法为满足试验曲线变化规律和蠕变特性而需要建立复杂的本构数学表达式。最后,利用上海地区软土蠕变实验结果对本文提出的方法进行了验证,并对BP神经网络蠕变模型在描述软土流变方面的特点进行了讨论。结果表明,本文建模方法简单,并能很好地描述软土的非线性蠕变问题。     

高地应力围岩分区碎裂化的时间效应分析和相关参数研究

本文阐述了高地应力围岩分区碎裂化现象的形成需要经过一定的时间,但这段时间不会很长;采用蠕变理论对岩石分区碎裂化的时间效应进行了分析;推导了能够描述加速蠕变阶段的流变模型-改进的西原模型的本构方程和蠕变方程,在此基础上求出了岩石分区碎裂化发生时破裂带半径(破碎带距巷道中心的距离)的公式。      

基于分段模拟的岩石蠕变模型

为了更好地实现对岩石蠕变特性的描述,基于岩石蠕变的阶段特征,提出分段模拟岩石蠕变的建模思路。应用变分数阶微积分改进的软体元件与弹簧串联得到改进的Maxwell模型实现对岩石稳定蠕变阶段的模拟;同时基于应变触发方式改进蠕变体元件实现对岩石非稳定蠕变阶段的模拟。综合改进的Maxwell模型与改进的蠕变体元件构建一个新的三元件蠕变模型。应用岩盐典型蠕变曲线数据对三元件蠕变模型进行了验证。结果显示构建的三元件蠕变模型可以很好地模拟岩盐的三阶段蠕变,分段模拟思路是可靠的。