基于等效黏弹性的变阶分数阶岩石损伤蠕变模型

基于分数阶Zener模型与时变黏性Zener模型之间的等效黏弹性,突出弛豫时间在岩石流变黏弹性演变过程中的重要性。当弛豫时间趋近于无穷大,蠕变过程中的黏性演变等同于松弛过程中的黏性演变,并且建立了与弛豫时间相关的损伤因子,解释了损伤因子在岩石流变变形过程的物理意义。利用弛豫时间建立分数阶变阶函数,依此构造变阶分数阶损伤蠕变模型,并且将模型推广到三向应力状态,给出三向应力状态下变阶分数阶损伤蠕变模型。最后基于砂岩的三轴蠕变试验数据,验证了三轴状态下变阶分数阶损伤蠕变模型的可应用性和合理性,试验数据与模型拟合曲线吻合度较高,可以较好地描述蠕变全过程力学行为。模型拟合参数的有效性得到分析和验证,增加了模型在其他复杂应力环境下的可应用性。     

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。     

基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型研究

针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞围岩在开挖过程中呈现明显的流变劣化特征,基于分数阶微积分理论,用Abel黏壶替换西原模型中的牛顿黏壶,推导出基于分数阶导数的蠕变本构方程,同时考虑岩石在蠕变过程中,尤其是所受应力超过其长期强度时,蠕变参数是非定常的特征,把蠕变参数的非定常性引入本构方程中,建立了基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型。结合锦屏二级水电站引水隧洞主要围岩之一的大理岩的室内剪切蠕变试验的结果,对模型中的参数进行反演,结果表明,基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型能够在蠕变初期和拐点处与试验结果很好地吻合,并且可以克服西原模型不能反映蠕变第3阶段的不足。通过对模型中参数的敏感性进行分析,得出分数阶阶数、非定常参数对岩石蠕变的影响规律。研究结果表明,提出的基于分数阶导数的非定常蠕变模型能够很好地反映大理岩的蠕变全过程。     

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。     

西藏贡觉粉砂质泥岩工程地质特性与蠕变强度研究

川藏铁路在穿越西藏贡觉地区时遇到三叠系粉砂质泥岩,在高地应力条件下容易发生大变形等危害。文章开展了不同围压下的岩石三轴压缩和和三轴蠕变试验,结合PFC数值模拟,研究了粉砂质泥岩在不同围压下的蠕变特性和长期强度研究,结果表明:贡觉粉砂质泥岩流变具有西原蠕变模型特征,蠕变与常规三轴试验条件下,随着围压不断增大,粉砂质泥岩试样均由拉-剪破坏向单剪破坏过渡,剪切破裂面与水平线的夹角逐渐减小,微裂纹数量减少;蠕变试验相较于常规三轴试验,由拉应力引起的压碎带影响范围更广;在高围压条件下,粉砂质泥岩更容易发生流变,随着围压的增大,轴向应变、侧向应变和体积应变均增大,微裂纹数量呈下降趋势;瞬时弹性模量及黏弹性系数与围压呈线性递增关系,黏弹性模量与围压呈对数型增长关系,黏塑性系数与围压呈指数型增长关系。在荷载长期作用下,岩石长期强度低于瞬时强度。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

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     

围压对黄砂岩疲劳破坏变形特性的影响

为研究三向应力状态下周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响,对黄砂岩试样进行了不同围压的常规三轴压缩试验和周期轴向荷载疲劳试验,得到了黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向及体积变形特性。试验结果表明:常规三轴轴向周期荷载作用下,黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向以及体积变形受到静态应力-应变曲线变形量的控制;疲劳破坏轴向、环向的峰值变形和不可逆变形均符合三阶段倒S型曲线发展演化规律;围压对轴向变形发展规律有一定强化作用,对环向变形发展规律却有所抑制;在疲劳破坏变形过程中,峰值应变ε_(max)具有和不可逆应变ε~p相似的发展规律,弹性应变ε~e在3个阶段基本保持不变,不可逆应变增量Dep的变化规律能够反映3个阶段应变速率的发展演化规律;变形比强度更适合作为岩石疲劳破坏的依据,黄砂岩的疲劳破坏变形特性研究为建立岩石的疲劳破坏力学模型做了基础。     

泊松比对岩样破坏模式及全部变形特征的影响

利用编写的计算岩样全部变形特征的FISH函数, 采用FLAC模拟了泊松比不同时单缺陷岩石试样的破坏及全部变形特征。在峰前及峰后, 本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。高泊松比使岩样发生由单一剪切破坏向复杂破坏转变、破坏区域的面积增加、剪切带倾角降低, Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此无法解释。不同泊松比时计算得到的峰前应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线的线性阶段与平面应变压缩条件下的线弹性解吻合。若泊松比超过1/3, 通过计算得到的平面应变压缩泊松比可大于0.5, 这被数值模拟确认。泊松比的增加使峰后的侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线、计算得到的泊松比-轴向应变曲线变得不陡峭, 使峰后的应力-侧向应变曲线变得陡峭, 使破坏的前兆变得不明显。      

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。     

饱和盐渍土分数阶蠕变模型及试验研究

采用等温条件下饱和盐渍土的固结蠕变试验研究了其蠕变特性。在元件模型的基础上,通过引入Abel阻尼器和渗透吸力后,建立了饱和盐渍土的分数阶蠕变模型,从表观现象学方面展开了含盐量与饱和盐渍土蠕变特性的相关性讨论。结合试验结果和分数阶模型,拟合分析了渗透吸力同次固结系数与压缩指数的比值 和初始剪切模量以及初始剪切应变的相互作用关系。在蠕变试验的基础上,通过不同应力水平、含盐量的试验结果对分数阶模型进行了拟合分析,并结合给出的黏度系数公式对模型的有效性进行了验证。分析结果表明：次固结系数与压缩指数的比值 随着渗透吸力的增大而增大且呈指数关系,初始剪切模量随着渗透吸力的增大而减小,初始剪切应变与渗透吸力呈现出线性关系。相比与整数阶元件模型,所提出的分数阶蠕变模型更适合于饱和盐渍土蠕变行为的预测。结合试验和模型分析结果,发现含盐量的增大促进了盐渍土的蠕变行为。     

坝基碎屑岩三轴蠕变特性及长期强度试验研究

基于物理和常规变形特性分析,认为某水电站坝基碎屑岩力学特性异常复杂,故采用岩石三轴伺服仪开展了系列的蠕变力学特性试验研究。首先,探讨了轴向、侧向及体积蠕变特性和速率变化规律;其次,分析了蠕变对偏应力-应变特性影响并开展了破坏岩样微细观电镜扫描试验;最后,在采用等时曲线簇法确定长期强度的基础上,以实际延性扩容为依据,认为岩石侧向体积扩容速率大于轴向压缩速率的临界点为快速蠕变破坏的标志,提出确定长期强度的新方法。结果表明,碎屑岩表现出显著的蠕变特性,蠕变曲线主要分为初始衰减和稳态蠕变两阶段,且最后一级应力施加后呈现加速蠕变现象;应力增加导致蠕变变形加剧,最终破坏表现出轴向压缩变形过大、体积延性扩容明显、稳态蠕变速率较大等特点,且蠕变速率与应力符合指数函数关系。岩样长期强度与三向稳态蠕变速率交点和侧向体积扩容应力阀值基本一致,为常规强度的54%～80%。试验结果旨在为相关岩石工程长期稳定分析及蠕变模型构建提供可靠的依据。     

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。     

考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究

以北山花岗岩为研究对象,采用MTS815岩石力学试验系统开展不同温度条件下的蠕变特性试验研究。考虑温度对花岗岩特征参数的影响,结合岩石蠕变破坏过程中的损伤演化规律,提出了一种新的高温损伤流变元件。通过将高温损伤流变元件代替经典西原模型中Newton元件的方法,构建了能够描述不同温度条件下花岗岩蠕变全过程的本构模型。分析了不同温度条件下花岗岩单轴蠕变试验结果,确定了模型参数,获得了温度对花岗岩蠕变关键参数的影响规律。通过对花岗岩高温蠕变模型进行参数敏感性分析,揭示了弹性模量、黏性系数等关键参数对花岗岩蠕变特性的影响规律,并验证模型在不考虑温度及损伤的影响条件下可退化为经典西原模型。研究表明,建立的花岗岩高温蠕变本构模型可以准确地描述花岗岩典型蠕变全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段。黏性系数受损伤的影响越大,花岗岩的稳定蠕变阶段越短,越容易发生加速蠕变。     

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.