人工冻土遗传分数阶导数加速伯格斯蠕变模型

了解人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。目前常用的人工冻土蠕变整数阶模型存在元件多的不足,通过将伯格斯模型串联黏壶替换为分数阶导数黏壶,建立分数阶导数伯格斯蠕变模型来模拟稳定蠕变阶段;在分数阶导数伯格斯模型中串联加速元件,建立分数阶导数加速伯格斯蠕变模型来模拟加速蠕变阶段。通过对比分析分数阶伯格斯蠕变模型计算结果与试验值,表明所建立的蠕变模型可较好地反映人工冻土的各阶段蠕变过程,可为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

基于变阶分数阶导数的岩石蠕变模型

蠕变模型是描述岩石流变行为的主要形式。建立一个参数少、模拟性能好的岩石蠕变模型是岩石蠕变研究的一个重要方向。为此,从分数阶蠕变元件的物理意义出发,将材料的蠕变过程划分为弹性、弹性、黏塑性3个阶段,并通过引入变阶分数阶导数来描述这3个阶段。然而当载荷应力超过屈服应力时,岩石中微观裂纹会萌生、扩展和演化,导致蠕变损伤的积累并在黏塑性蠕变后期引起加速蠕变的发生。因此,考虑到损伤演化对岩石蠕变的影响,在加速蠕变阶段引入损伤系数来描述这一阶段应变的非线性增长。基于以上分析,在Scott-Blair分数阶元件和变系数分数阶元件的基础上,提出一种变阶分数阶非线性黏弹塑性蠕变模型,并将模型拓展到三维情形。平顶山深部煤体三轴蠕变实验的分段拟合结果表明,基于变阶分数阶导数的蠕变模型与实验数据吻合较好。这也验证了将分数阶导数的变阶看作是一个阶跃函数是合理的、可靠的。此外,通过进一步的参数拟合,在现有实验结果的基础上确定模型中的参数。结果表明,所提出的理论模型能较好地描述材料的蠕变特性,与实验数据吻合较好。     

基于分数阶微积分的岩石非线性蠕变损伤力学模型

借鉴元件组合模型的建模方法,将含分数阶导数的软体元件与虎克体串联,引入能反映应力水平和时间影响的损伤变量,提出一种四元件非线性蠕变损伤模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程.在应力水平较低时,模型能够有效地描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变;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.利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不但能够很好地描述蠕变曲线中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,而且可以在保证拟合精度的条件下减少模型中的参数,为非线性蠕变模型研究提供了一种新的思路.     

基于成都黏土蠕变试验的非定常蠕变本构模型研究

针对黏土的蠕变特性对工程造成不利影响的问题,开展了成都黏土的常规三轴固结不排水试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析其蠕变特性、应力-应变关系、弹性模量和黏滞系数的非定常性;同时,基于分数阶导数理论,利用软体元件替换常规黏性元件,并且考虑黏土弹性模量和黏滞系数的非定常性,构建了成都黏土的非定常蠕变本构模型,对本构模型进行了拟合和辨识分析,得到了成都黏土的长期强度值。结果表明:弹性模量和黏滞系数的非定常性包括时效特性和加载特性两方面,蠕变模型元件包括瞬时弹性元件、黏弹性元件和黏塑性元件;拟合的各项参数变化规律与室内试验规律一致,尤其是对加速蠕变阶段的拟合度极高,所构建的模型具有充分的合理性和可靠性。     

基于Perzyna黏塑性分数阶导数蠕变模型

了解人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。目前常用分数阶导数伯格斯蠕变模型来模拟人工冻土的稳定蠕变阶段。如果从内能角度分析发生蠕变的机制,基于应变能理论,采用Perzyna黏塑性理论与分数阶导数伯格斯模型相结合,可以建立一种能描述衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段全过程的蠕变统一本构模型。通过建立模型比较发现,数值模拟结果与试验数据基本吻合,研究成果为人工冻土蠕变过程研究提供了一种新的思路。     

基于分数阶微积分岩石的动态变形行为研究

为了更合理地描述岩石环向与轴向动态变形之间的关系,从分数阶微积分出发,在黏弹性应力–应变组合模型理论基础上,提出环向–轴向应变分数阶黏壶及环向–轴向应变关系的黏弹性组合模型,构建了基于分数阶微积分的岩石在静动态压缩及循环荷载条件下环向–轴向应变关系模型,并给出了模型的解析解,从而得到的分数阶体积应变公式可以作为体积应变求解的新方法。基于多种岩石、混凝土及石膏的实验数据,对分数阶微积分环向–轴向应变关系模型的参数进行拟合分析,对模型参数进行了敏感性分析,揭示了围压、应变水平、分数阶导数阶数及模型参数对环向应变的影响规律。结果表明环向–轴向应变关系模型不仅可以更好地反映岩石体积变形的减缩减胀特性,而且能够描述岩石在循环荷载及动态压缩条件下变形规律。     

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

 基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC++编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。     

岩石黏弹塑性损伤蠕变模型研究

岩石蠕变力学采用在经典元件模型基础上引入非线性元件和蠕变损伤的方法,来解决经典元件模型不能描述岩石整个蠕变过程中的非线性特征问题。首先分析这类方法在模型参数辨识、损伤蠕变方程建立和屈服条件选择等方面的不严谨之处,然后根据非线性流变理论以及损伤理论采用和构建弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏塑性体,并将四者串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、黏性应变和非线性黏塑性应变的损伤蠕变模型。推导岩石在恒应力情况下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到损伤蠕变方程,结合蠕变曲线特征给出简单可行的模型参数辨识方法。最后采用砂岩分级加载单、三轴压缩蠕变试验曲线与理论曲线和预测曲线进行对比来验证模型的适用性。结果表明两者吻合程度较高,黏弹塑性损伤蠕变模型不仅可以精确反映衰减、等速阶段蠕变曲线的非线性特征,而且能够描述岩石在高应力状态下的加速蠕变特征,其适用性得到验证。     

冻结原状砂土分数阶Burgers蠕变模型

为了更好的描述人工冻结砂土的蠕变特性,在Burgers模型的基础上,将分数代数理论与Burgers模型相结合建立了分数阶导数Burgers蠕变模型,对内蒙古地区原状冻土在不同温度和不同加载应力下的单轴蠕变曲线进行模拟,模型参数均由遗传算法全局优化而得。通过对比Burgers模型模拟的结果可以看出分数阶导数Burgers模型能与试验数据严密相关,且所需参数较少,物理意义明确,说明了分数阶导数Burgers蠕变模型能够很好的反映人工冻结砂土的蠕变特性,具有更高的精确性。     

非定常西原黏弹塑性流变模型的应用研究

 在西原模型的基础上,引入非线性Bingham黏塑性元件与Kelvin元件,建立能完整反映蠕变全过程的非定常西原黏弹塑性流变模型。当岩石处于高应力状态时,其黏塑性流变参数随时间呈非线性变化。根据ABAQUS的UMAT格式要求以及非定常西原黏弹塑性流变模型的平面应变(应力)有限元理论,编制相应的黏弹塑性流变模型程序。数值试验结果表明,所建立的非线性黏弹塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下岩石的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石边坡进行流变数值分析,在较大堆载下,边坡顶点进入加速蠕变阶段,达到破坏状态;中点和底点处于低应力状态,为黏弹性阶段,位移趋于稳定。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。     

考虑温度和体积应力的分数阶蠕变损伤Burgers模型

盐腔是石油、天然气和高放射性核废料深地储存的理想屏蔽围岩,考虑到深地盐岩地层中温度和体积应力联合影响,基于细观概率体元强度的威布尔(Weibull)分布构建损伤变量,利用Drucker-Prager强度准则描述微观线弹性脆性破坏,引入考虑塑性损伤的广义胡克定量描述样品尺度损伤,从而建立三轴压缩条件下静态本构模型。进一步将非线性分数阶黏壶和三轴压缩条件下静态本构引入至Burgers模型中,建立考虑温度和体积应力的分数阶蠕变损伤Burgers模型。结果表明:新模型可很好地模拟蠕变全过程试验变形数据,且对温度和体积应力比较敏感,尤其是可以有效地模拟加速蠕变变形。     

改进西原模型的三维蠕变本构方程及其参数辨识

 传统西原模型由虎克体、黏弹性体以及黏塑性体串并联组合而成,难以描述岩石非线性加速蠕变阶段的流变特性。通过在西原模型上串联一个带应变触发的非线性黏壶,提出改进的西原模型,推导岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程,并采用该流变模型对三峡库区万州红层砂岩流变试验全过程曲线进行辨识,获得模型各参数值。与试验结果的对比分析表明,改进的西原模型不仅可以充分反映岩石初期蠕变、稳定蠕变阶段的流变特性,还可以很好地描述岩石加速蠕变阶段的蠕变规律,明显优于传统的西原模型。加速蠕变是滑坡临滑预报的关键阶段,该模型对加速蠕变阶段的成功描述,对滑坡临滑预报具有一定的指导意义。     

考虑初始应变的成都黏土分数阶导数经验蠕变模型

以成都黏土为研究对象,通过蠕变试验发现黏土变形包括瞬时弹性变形及蠕变变形,蠕变以衰减蠕变和加速蠕变为主,并且在第二级加载后具有显著初始应变。基于分数阶导数理论构建了应变时间的分数阶数学关系,采用双曲线关系构建了应力应变数学关系,并最终建立了考虑初始应变的成都黏土分数阶导数经验蠕变本构模型。通过模型的拟合验证,发现分数阶导数蠕变模型对各组蠕变试验的拟合规律一致,拟合系数均大于0.98,拟合初始应变与蠕变试验数据吻合,分数阶阶数n在前三级加载时均小于1,最后一级加载时大于1,表明在蠕变模型中考虑初始应变参数是有必要的,本文蠕变模型可有效反映成都黏土的非线性蠕变性质。因此,分数阶导数经验蠕变本构模型可有效地描述成都黏土蠕变全过程。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

滨海软土蠕变特性及蠕变模型

如何合理地描述滨海软土的蠕变规律对软土地基工程是十分重要。三轴蠕变试验研究表明，滨海相沉积的软土具有非线性蠕变的特性，双曲线型更适合其应力-应变关系。修改了Singh-Mitchell模型的应力-应变关系，建议了滨海软土的应力-应变-时间关系。所提出的蠕变模型具有参数少、适用性较强的特点。     

一种新的岩土流变模型元件

分数阶微积分被发现是一个解决力学建模难题的有力数学工具,利用Riemann-Liouville的分数阶微积分算子及理论,给出一种软体元件及其本构方程,用来模拟介于理想固体和流体之间的土体。该元件能够很好地反映应力松弛和蠕变现象中应力–应变的非线性渐变过程。通过一个软体元件与一个弹簧元件串联或并联,构建2种流变模型,并给出这2种模型的本构方程、松弛模量和蠕变模量。与土的流变实验数据相拟合结果表明,含有软体元件的模型能够更有效地刻画土的流变特性,可以减少参数数量。     

A four-element fractional creep model of weakly cemented soft rock

The creep model is the main form used to describe the creep behavior of weakly cemented soft rock (WCSR). To investigate the creep behavior of weakly cemented soft rock, multi-stage loading creep tests were performed by using GDS HPTAS creep triaxial apparatus. The creep curves, creep rates, and creep failure modes of weakly cemented soft rock under different water contents were obtained. A novel four-element fractional-order creep model to describe the three-stage creep behavior of weakly cemented soft rock was proposed using the Abel dashpot basing on the creep test results and fractional calculus theory. The formula of this model was developed according to the H-Fox special function. The trust-region method was used to obtain the model parameters, and the parameters were optimized using the ant colony optimization approach. The creep curves of weakly cemented soft rock under different water contents were calculated and compared with the experimental results, verifying the superiority of the four-element fractional-order creep model in describing the creep characteristics of weakly cemented soft rock. The calculated results were also in good agreement with the experimental results, which confirms that the four-element fractional order creep model can accurately reflect the complete creep behavior of weakly cemented soft rock.

     

考虑应力历史的冻土一维蠕变模型

受力历史是影响冻土力学行为的关键因素。引入融土中考虑应力历史的一维蠕变模型并进行了相应修正,使其能够反应温度对冻土蠕变特性的影响,通过不同温度条件下的K_0加载试验获取相关模型参数,经过回归分析得到了各参数与温度的函数关系。通过对比试验和模型计算结果表明,修正后得到的冻土一维蠕变模型在预测不同温度条件下土体的蠕变发展规律时具有较好的预测精度。同时,随着施加压力的增大,该模型能够准确描述当外压力超过其历史上所受最大压力时所产生的应变急剧增长现象。因此,该模型可以作为寒区工程稳定性分析和设计的可靠依据。     

基于分数阶微积分理论的软土应力–应变关系

 利用分数阶微积分理论提出等应变率加载情况下的软土应力–应变关系。关系式显示应力–应变之间呈乘幂函数关系。通过大量的常规(等应变率加载情况下)三轴试验验证基于分数阶微积分理论的软土应力–应变关系,同一种土的分数阶阶数 不随围压变化并能够反映土的“软硬”程度。试验发现,初始弹模与围压呈较好的线性关系。与邓肯–张模型相比,应力–应变的乘幂关系具有明确的理论基础,这一点与邓肯–张模型纯粹基于曲线形状相似的应力–应变双曲线假设形成鲜明的区别。创新点在于将软土看作介于理想固体和理想流体之间的物质进行研究,并用分数阶微积分理论给出应力–应变关系,这在以往的研究中都没有先例。     

A nonlinear creep model for surrounding rocks of tunnels based on kinetic energy theorem

The initiating condition for the accelerated creep of rocks has caused difficulty in analyzing the whole creep process. Moreover, the existing Nishihara model has evident shortcomings in describing the accelerated creep characteristics of the viscoplastic stage from the perspective of internal energy to analyze the mechanism of rock creep failure and determine the threshold of accelerated creep initiation. Based on the kinetic energy theorem, Perzyna viscoplastic theory, and the Nishihara model, a unified creep constitutive model that can describe the whole process of decaying creep, stable creep, and accelerated creep is established. Results reveal that the energy consumption and creep damage in the process of creep loading mainly come from the internal energy changes of geotechnical materials. The established creep model can not only describe the viscoelastic–plastic creep characteristics of rock, but also reflect the relationship between rock energy and creep deformation change. In addition, the research results provide a new method for determining the critical point of creep deformation and a new idea for studying the creep model and creep mechanical properties.