低动应力下岩石分数阶Burgers本构模型

动荷载下岩石变形特性是岩土工程界的常见问题之一。为研究岩石低动应力下变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换Burgers模型中Maxwell常值黏壶,建立了可反映低动应力荷载作用下岩石变形规律的分数阶Burgers模型(Fractional-order Burgers Model,FBM)。将动荷载分解为一个静力荷载和一个平均应力值为0的循环荷载,基于流变力学理论给出了静力作用下基于分数阶Burgers模型的岩石流变本构方程,再根据黏弹性力学理论,考虑岩石损伤、裂隙及塑性变形对动荷载下岩石储能柔量和耗能柔量造成的影响,引入储能和耗能柔量变化量,构建了循环荷载下基于分数阶Burgers模型的岩石动态响应本构方程式,最后将已获得的岩石流变本构方程式与动态响应本构方程式叠加,即得到一种新的岩石本构方程。与已有的试验结果相比,改进Burgers模型可较好地描述低动应力状态下岩石减速、等速2个阶段的变形特征,且模型参数可运用数值方法简便得到。     

周期荷载下岩石分数阶黏弹塑性本构模型研究

为研究周期荷载下岩石疲劳变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换西原模型黏塑性体中的一般黏壶,并在西原模型中串联一个黏性元件,分别建立了可描述周期荷载下岩石变形规律的一维和三维分数阶黏弹塑性本构模型。在高动应力状态下,模型为反映岩石减速、等速、加速3个变形阶段变形规律的岩石分数阶黏弹塑性疲劳本构模型;反之,则为反映岩石减速、加速变形规律的Burgers模型。对既有的岩石疲劳试验结果拟合表明:基于分数阶黏弹塑性模型所建立的岩石疲劳本构方程可较好地描述周期荷载下岩石各种变形特征,拟合系数在0.96以上。研究成果可丰富岩石力学理论,为相关研究提供参考。     

考虑水岩耦合作用的水电站边坡岩石损伤模型

库水位上升、下降对水电站大坝边坡稳定性产生不利影响。通过室内不同干湿循环条件下岩石的三轴压缩试验,基于统计损伤力学理论,根据岩石在不同干湿循环条件下应力~应变特征,利用岩石应力~应变曲线的极值特点,推导求解模型参数的数学方程,建立三轴压缩条件下岩石损伤本构模型。通过与不同干湿循环条件下岩石应力~应变曲线的比较,损伤模型可以很好地反映岩石应力~应变关系。干湿循环次数对参数m和F_0造成影响,随着干湿循环次数的增大,两个参数的值逐渐变小,且干湿循环次数对参数m的影响较大。通过对干湿循环下岩石的内摩擦角与黏聚力劣化分析,可以得到参数α和k的值不断减小,对准则参数α和k进行折减,建立岩质边坡稳定性分析的模型,对水电站大坝边坡稳定性分析具有重要意义。     

基于循环荷载下西原岩石疲劳模型的改进研究

为研究岩石疲劳变形规律,通过将西原模型黏塑性体中线性元件替换为含疲劳参数n的非线性黏性元件,建立了循环荷载下改进的西原疲劳模型。当岩石循环荷载应力上限值小于岩石门槛应力值时,模型为描述岩石减速、等速两个疲劳变形阶段的广义Kelvin疲劳模型;当岩石循环荷载应力上限值大于岩石门槛应力值且模型参数n≠1时,模型为反映岩石的减速、等速及加速3个疲劳过程的改进西原疲劳模型;当模型疲劳参数n=1时,模型退化为西原疲劳模型。结果表明:与既有岩石疲劳试验结果相比,改进的西原疲劳模型能更好描述循环荷载下软硬岩石的等速、减速、加速三个疲劳变形阶段,且模型疲劳参数n随岩石的单轴抗压强度增大而增大,较高的循环荷载上限应力比会造成模型疲劳参数值n的反常,其他参数变化规律也较为明显。     

双向激振对饱和软黏土应力应变循环刚度软化的影响

地震荷载作用将引起土体孔隙水压力上升，从而使土体的刚度、强度发生软化现象。循环软化是地震荷载作用下土体发生破坏的主要原因。本文利用双向动三轴试验系统，通过双向激振循环荷载试验对地震荷载的作用进行了模拟。并对双向激振循环荷载作用下饱和软黏土每一次循环内刚度软化现象进行了初步的探讨。分析了循环次数、循环偏应力比、径向循环应力比、初始剪应力等因素对双向激振循环作用下软黏土刚度变化规律的影响。研究结果表明：双向激振下，当循环偏应力比小于临界循环偏应力比时，饱和软黏土存在临界屈服应变，当应变幅值小于该值时，割线剪切模量逐渐增加不发生软化现象；只有在应变幅值大于该值的情况下才发生软化。循环偏应力比的增加、径向循环应力的提高都将加快刚度软化。双向激振下，随着初始剪应力的增加，刚度有所提高。并在试验的基础上建立了双向循环荷载作用下饱和软黏土的刚度软化模型。以该软化模型作为Masing准则的放大系数对双向激振下土体的应力－应变关系进行了描述，得到了与实测较吻合的结果，同时也验证了本文软化模型的准确性。     

真实水环境下红层软岩蠕变模型辨识 与参数确定

采用轴压水压联合作用岩石流变试验系统进行了滇中地区红层软岩室内压缩蠕变试验。研究结果表明:真实水环境下红层软岩在破裂应力水平之前具有黏弹性特征,在破裂应力水平下表现出非线性黏弹塑性特征;Ｂｕｒｇｅｒｓ模型和非线性黏弹塑性模型可以准确地描述软岩在真实水环境下三个蠕变阶段的力学特性,模型拟合效果较好;蠕变参数随加载应力不断变化反映出岩石内部损伤不断加剧、累积,力学性能不断劣化的演变过程。     

循环荷载下软黏土的各向异性边界面模型

在各向同性边界面理论框架中,通过引入各向异性张量,提出了适用于描述循环荷载作用下软黏土各向异性的边界面本构模型。本模型通过初始固结应力状态确定各向异性张量的初始值,并通过各向异性张量的旋转硬化准则反映循环荷载作用下各向异性的演化。同时,在映射准则中,将映射中心由固定改为可移动,以反映循环荷载作用下土体的滞回特性。从而将一般边界面模型扩展,使其可描述复杂应力状态下饱和软黏土的动力特性。通过与上海软黏土的室内循环三轴试验结果以及文献中相关试验结果的比较,验证了所提出的本构模型的合理性。     

基于改进Harris函数的砂岩损伤本构模型研究

岩石损伤量在岩石损伤的过程中是个动态变化量,通过改进Harris函数,建立了在三维应力作用下岩石损伤本构模型,并通过砂岩的三轴试验确定了模型参数,定性分析了围压、临界损伤值、峰值应变三者间的关系。研究结果表明:①基于改进的Harris函数所建立的砂岩损伤本构模型曲线与实测曲线拟合较好,有良好的适用性;②同一种岩石在不同围压下,临界损伤值不是固定值,它从侧面反映出岩石自身的力学性能与岩石所处的三维应力状态有关;③围压增大,临界损伤值也相应地增大,证明围压对岩石的破坏有抑制作用。分析结果对研究三维应力状态下岩石的损伤破坏机理有一定借鉴意义。     

循环荷载作用下软基上大圆筒结构弹塑性有效应力分析

采用隐式积分算法将改进的剑桥弹塑性动力本构模型引入大型通用有限元软件ABAQUS,对循环荷载作用下软土地基与大圆筒结构耦合系统的失稳破坏机理进行了探讨.与前人的循环三轴试验结果比较表明,该模型可以合理的模拟软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压累积效应.进而基于忽略土骨架和孔隙水惯性效应的广义Biot固结理论的简化形式,建立软基上大圆筒结构的有效应力分析模型,探讨不同幅值循环荷载作用下结构的不同变形模式以及失稳机理.计算结果表明:当循环荷载幅值较大时,大圆筒结构与地基耦合系统的瞬时位移较大,而残余变形相对较小;而当循环荷载幅值较小时,大圆筒结构与地基耦合系统的残余位移相对较大.     

饱和非饱和岩石损伤软化统计本构模型

基于概率论和损伤力学讨论了岩石在荷载作用下的破坏、损伤和变形等特征．在混合物理论基础上，建立了饱和和非饱和岩石损伤软化统计本构模型．该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力应变由线稍向上凹曲的特征，以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力应变关系所起的作用．     

轴向循环加载卸载条件下饱和软土变形特性试验研究

研究循环加卸载条件下软黏土的强度和变形特性具有一定的工程实践价值。利用自行改进和研制的连续加载一维K_0固结仪对饱和软土进行轴向循环加卸载试验。结果表明:各级卸载应力-应变曲线是双曲线,再加载曲线应力-应变关系在上级卸载载荷之前为双曲线,超过卸载载荷为直线,呈现不断硬化的现象,试样产生塑性变形和弹性变形,且塑性变形和弹性变形分别与卸载等级呈线性关系;以原有双曲线本构关系为基础,利用各级加载轴向最大应力和初始切线模量,卸载曲线的轴向最大应变和初始割线模量,引入新的模型参数,从而建立轴向循环加卸载的本构方程,并验证了其可靠性。对各级塑性滞回能进行了计算,随着卸载应力水平的增大,塑性滞回能不断增大,且通过拟合加卸载过程中消耗的塑性滞回能与卸载应力水平呈良好的二次曲线关系。     

基于全量理论的洞室围岩抗力系数计算

视衬砌在内压力作用下与围岩共同承载联合工作,采用全量理论将岩体单轴应变非线性软化本构模型推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,将围岩划分为松动区、塑性区、弹性区,对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。在推导出围岩松动区、塑性区、衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式基础上,得出了不同工况下围岩抗力系数计算公式,该围岩抗力系数计算公式不仅考虑了中间主应力的影响,而且与已有的围岩抗力系数计算公式相通。     

干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩损伤演化及本构模型研究

干湿循环和动载耦合作用会导致煤矿岩石物理力学性质的劣化,引起地下岩体工程结构的破坏,诱发煤矿地下工程地质灾害和工程事故。基于纵波波速变化和Weibull分布统计损伤理论,推导了干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩的损伤演化方程,探讨了动弹性模量取值方法对损伤演化的影响,发现以动态应力-应变曲线30%与70%峰值应力连线的斜率作为动弹性模量更能反映出本次试验砂岩的损伤演化规律。在此基础上,分析了干湿循环次数对总损伤变量和总损伤率演化的影响,得出干湿循环与动载耦合作用后砂岩的总损伤变量随着干湿循环次数的增加而增大,总损伤率随应变增长先增加后减小;建立了干湿循环和动载耦合作用下砂岩的动态本构模型并对其进行了验证,以期为深部地下岩体工程稳定性分析提供依据。     

河床式水电站厂房地震响应软弱基岩弹模敏感性分析

针对水工抗震设计规范的修订情况,以某软弱基岩河床式水电站厂房为例,对中间标准机组段建立基础—厂房整体有限元模型,研究设计反应谱特征周期和下降段衰减系数变动对厂房结构地震动响应的影响,然后依据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047—2015)定量分析软弱基岩弹模变化对河床式水电站厂房自振特性及静动力响应的影响规律。结果表明:由于反应谱特征周期与衰减系数的调整,该厂房依照《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047—2015)所得响应较《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—2000)更为剧烈,第一主应力与总位移可分别提高36.3%和29.8%,增强程度不可忽视。基岩弹模低于5.0 GPa时,厂房对基岩弹模的变化十分敏感,较小的改变也会显著影响厂房在静动力荷载环境下的应力、位移和变形等响应;基岩弹模高于5.0 GPa时,厂房对其变化不再敏感。可见,必须重视软弱基岩弹性模量参数改变的情况,这种改变将对其上建筑物的静动力计算结果产生不可忽视的影响。     

大理岩球砾循环加卸载接触力学特性试验研究

为研究岩石颗粒在循环加卸载条件下的接触力学性质,采用直径60 mm的大理岩球砾开展系列压缩破碎试验、准静态循环加卸载试验和动态循环加卸载试验。试验结果表明:在压缩荷载作用下大理岩球砾的弹性变形阶段较短,弹塑性变形阶段处于主导地位;随准静态循环加卸载次数增加,大理岩球砾的累计塑性变形、接触刚度-位移曲线斜率以及等效恢复系数都逐步增大,但增幅逐渐减小,最后趋近于稳定值;动态循环加卸载试验中球砾的累积塑性变形随循环次数演化曲线可以划分成初始阶段、等速阶段和加速(破坏)阶段,上限荷载越大、荷载幅值越大,大理岩球砾在初始阶段产生的塑性变形越大,累计塑性变形曲线进入等速阶段所需循环次数也越多;动荷载作用下的阻尼比随循环次数增加而逐渐减小,最后渐趋于稳定,上限荷载越大、荷载幅值越大,大理岩球砾循环加卸载初期的阻尼比越大,随循环加卸载次数增加,上限荷载和荷载幅值对阻尼比的影响逐渐减弱。研究成果可为分析堆石料、铁路道砟等岩石颗粒材料受力变形特征提供理论依据。     

三轴压缩下石英云母片岩能量特征及其本构模型研究

为了研究某水电站引水隧洞石英云母片岩物理特性,利用MTS815岩石力学试验平台,分析其三轴压缩试验数据,揭示了石英云母片岩常规三轴压缩条件下能量特征并引入了能量损伤D,基于Hooker定理建立了石英云母片岩的能量损伤本构模型。研究结果表明:相同围压下,平行组试件的可释放弹性应变能增长速率大于垂直组,平行组试件峰值应变能大于垂直组;垂直组试件的耗散能增长速率大于平行组。相同围压和轴向应变下,垂直组的耗散能大于平行组。随着围压的增大,平行组和垂直组峰值点和残余点可释放应变能均增大,两者表现出较好的线性关系且相关系数均大于98%。定义弹性应变能存储比,数值在未超过阀值应力σs时,保持在1左右,而在超过阀值应力σs后,与轴向应变呈现良好的指数关系且相关系数均达到97%。该模型能很好的描述石英云母片岩三轴压缩的应变软化和硬化过程。研究成果能够为工程设计提供合理的力学参数,并且对于各向异性岩石的物理特性研究具有参考价值。     

基于场应变的充填体与围岩组合模型循环加卸载试验研究

为模拟研究充填采场围岩破裂演变机理,设计了充填体与围岩组合模型,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对不同种类岩石模型试样进行了不同侧压力条件下的循环加卸载试验;通过VIC-3D非接触全场应变系统同步监测模型试样损伤破坏过程,基于试验过程中应变场的演变,对组合模型破裂机理进行了分析。研究表明:充填体能够增强围岩的完整性及强度;组合模型的破裂经历了一个扩容的过程;不同侧压下循环加卸载应力-应变曲线形成多塑性滞回环,岩性越软滞回现象越显著;应变场在低循环荷载时近似均匀场,高荷载时在加载非均匀场与卸载均匀场之间变换,渐呈应变局部化特征;张拉应变区首先出现在强度比较低的充填体区域,并随荷载增大逐渐向两侧的围岩移动,充填体与围岩变形具有时空非同步性与破坏形式差异;不同种类围岩破坏形式不同,强度较低的呈剪切破坏,强度较高的则为拉伸破坏。结果表明场应变演变可较好地表征充填采场围岩破裂过程。