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 viscoelasticeplastic 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.

基于改进西原模型的滑坡临滑切线角预警判据研究

成功预报滑坡灾害的核心是建立科学准确的预警判据,目前的预警判据方案大多依据单一滑坡数据参数构建,而获得的针对性判据无法广泛用于其它滑坡。为了建立更加具有适用性的预报模型,在西原模型的基础上,增加能够描述加速蠕变行为的黏壶元件,提出改进的西原模型。根据改进切线角分析蠕变过程中等速变形速率与临滑切线角的相关性,分别对27个同量纲化的土质、岩质滑坡监测数据进行拟合,获得滑坡等速变形速率和临滑切线角之间的关系,确定相关系数,建立滑坡预警判据,并将其应用于龙马水电站和桐子林水电站2个边坡工程实例,验证了预报判据的可靠度和预测预报的可行性,研究结果对于滑坡灾害预警预报与防治具有重要的意义。

煤岩单轴压缩损伤的松弛特性研究

在较高应力水平下的煤岩流变效应与其损伤状态有关,进而对地下工程的长期稳定产生不利影响。基于Riemann-Lioucille分数阶微积分理论,在整数阶Poynting-Thomson(PTh)流变模型和西原体的基础上引入损伤变量d,通过进行对比构建一个能更好描述煤系软岩的应力松弛模型。通过对煤样分别进行单轴0.27%、0.38%和0.43%轴向应变,应变达到固定应变记录应力松弛曲线,并且对应力松弛后煤样进行CT扫描,通过对CT图像分析得出损伤变量d代入到松弛模型中,对加入损伤前后的西原体模型和整数阶PTh流变模型的松弛曲线和引入损伤西原体松弛曲线与实验曲线进行对比,结果表明整数阶PTh流变模型能更好地描述煤的应力松弛曲线,并且加入损伤变量后提高了描述煤系软岩应力松弛曲线的精度。

基于西原流变模型的隧洞围岩支护参数研究

为优化榕江关埠引水工程隧洞围岩锚喷支护方案设计,引入了西原流变模型,并基于此建立了围岩强度准则下的西原流变分析模型,探讨了锚杆物理力学特征与体型参数特征对围岩稳定性影响。锚杆弹性模量参数对围岩位移、径向与切向应力影响均较小,锚杆弹性模量参数优化设计时具有较宽泛选择区间。锚杆直径愈大,围岩位移进入稳定期愈早,同时围岩位移也愈低,且以锚杆直径20~26 mm区间内围岩位移降幅最大。锚杆直径参数对围岩径向、切向应力影响超过锚杆弹性模量参数,径向应力发展在锚杆直径各区间内不均衡,但切向应力与锚杆直径关系较均衡稳定。本研究可为水工隧洞围岩支护方案设计及围岩流变数值计算分析提供参考。

考虑软岩参数随时间变化的非定常西原蠕变模型参数辨识及数值模拟

为了准确地描述软岩蠕变规律,基于经典西原模型,考虑软岩参数随时间的变化,建立一种非定常西原模型,并采用单轴压缩蠕变试验研究软岩的蠕变力学特性,基于单轴压缩蠕变试验数据对所建立模型进行参数辨识;利用ABAQUS软件的二次开发功能,将所建立模型嵌入其中进行软岩蠕变过程的数值模拟。结果表明:通过拟合单轴压缩蠕变试验数据并辨识相关参数,相关系数不小于0.997,所建立模型与实际情况吻合度较高,可准确地描述软岩的初期蠕变、等速蠕变、加速蠕变3个阶段;模拟结果与单轴压缩蠕变试验结果基本吻合,验证了所建立模型可以在数值软件中准确应用并进行相关工程计算。

湖相软土单轴蠕变特性及其模型研究

通过长期单轴蠕变试验,获得了湖相软土在不同应力水平下的应力-应变-时间的关系曲线,据此研究该软土的蠕变变形特性;在此基础上,利用非线性牛顿黏壶代替广义西原模型中的线性牛顿黏壶,将其从一维泛化到三维应力空间,建立了改进广义西原模型;利用曲线拟合法确定蠕变模型参数,并对该模型进行数值模拟验证。结果表明:软土在加载的瞬时均有一定的瞬时变形,然后随时间的延长,变形也明显增加;当应力水平低于50 kPa时,土体蠕变变形以衰减蠕变为主,处于黏弹性阶段;当应力水平高于50 kPa时,土体出现了衰减蠕变和稳定蠕变,呈塑性,并进入黏塑性阶段;由于环刀的侧限作用,软土土样未出现加速蠕变;改进广义西原模型具有非线性,由其计算所得的理论曲线能较好地与实测的蠕变试验曲线相吻合。

水-力耦合作用下砂岩松弛特性试验与本构模型

采用电液伺服三轴试验系统,对不同围压和水压条件下的红砂岩进行分级加载应力松弛试验.分析砂岩水-力耦合作用下全应力-应变过程的应力松弛量、应力松弛速率的变化规律.将含水开关与西原模型串联,实现应力松弛和水压在本构关系上的耦合,建立非线性砂岩松弛模型.结果表明:同一围压下,砂岩松弛量随着应变水平的提高而增加,砂岩松弛量在软化阶段达到最大;同一围压、同一应变水平下,砂岩松弛量随着水压的增加而降低,表现出水压对砂岩应力松弛具有抑制作用;改进的西原模型能较好描述砂岩应力松弛各阶段的力学行为,模型参数E_(1),E_(2),η_(1),η_(2),η_(3)在软化阶段之前随应变水平的提高呈现非线性增长;各阶段砂岩松弛速率呈“L”形,松弛速率快速下降为减速松弛阶段,松弛速率平稳下降为稳定松弛阶段.

考虑围岩流变特性的隧洞锚喷支护可靠度分析

为了探讨岩体流变特性对水工隧洞围岩-支护体系的影响,提出了考虑围岩流变特性的隧洞支护结构时变可靠度分析方法。首先采用基于莫尔-库伦准则的西原模型,在静水应力场中给出锚喷支护圆形隧洞的黏弹-黏塑性解析解;然后根据锚杆内、外端位移的解析解和锚杆的屈服强度,构建锚杆承载能力可靠度计算功能函数;最后结合工程实例进行锚喷支护时变可靠度计算与分析。结果表明:围岩的流变特性对围岩位移和锚杆变形量的影响较大,锚喷支护的可靠指标值随时间推移不断减小,而后逐渐趋于稳定;对于围岩条件较差的水工隧洞,不考虑岩体流变特性影响的锚喷支护设计是偏于危险的。研究成果可为水工隧洞支护结构长期可靠性评价提供方法参考和理论支撑。

考虑温度与湿度效应的秸塑复合材料蠕变理论模型

为了准确描述秸塑复合材料的蠕变过程,本文在经典西原模型的基础上,综合考虑了温度与湿度对秸塑复合材料蠕变性能的影响。根据蠕变损伤理论与湿度应力场理论,将温度与湿度效应引入到经典西原模型中,得到了秸塑复合材料在温度、湿度与应力共同作用下黏弹塑性本构方程。基于秸塑复合材料压缩蠕变试验结果,确定了秸塑复合材料蠕变行为中温度与湿度的影响参数。该模型能较好地反映温度与湿度对秸塑复合材料蠕变性能的影响,可适用于温度、湿度和应力共同作用下秸塑复合材料蠕变分析。

基于西原模型的非等压圆形硐室黏塑性区理论分析

以Mohr-Coulomb强度准则和西原流变模型为基础,推导出非等压原岩应力情况下的圆形硐室黏塑性区边界方程.分析不同侧压力系数与支护阻力条件下,硐室黏塑性区半径随时间的变化规律,探讨硐室围岩卸荷初期和围岩流变期间的塑性区差异性.研究发现:硐室围岩卸荷初期,黏塑性区半径增长率较高,且其增长率随时间的增加而逐渐减小;当时间增加到一定程度后,黏塑性区半径不再增大而是稳定在某一固定值;黏塑性区半径随侧压力系数增大而增大,同一时刻下,侧压力系数越大,黏塑性区半径增长率越小;支护阻力对硐室围岩卸荷初期和围岩流变期间的黏塑性区半径有抑制作用,且抑制作用随支护阻力的增大而逐渐增强.

厦门地区软土的蠕变模型及参数反演

根据厦门地铁1号线某车站深基坑开挖的软土地层进行室内单轴抗压试验及单轴蠕变试验的结果,选择西原模型作为蠕变本构模型,并应用西原模型对0.2σs、0.3σs、0.7σs3种应力水平下的蠕变参数进行反演.对比3种应力水平下单轴蠕变的反演曲线与试验曲线发现,西原模型可以用来计算软土的单轴蠕变值;当应力水平较低时(0.2σs、0.3σs),两组蠕变曲线可以很好地吻合,当应力水平较高时(0.7σs),开始两组曲线可以较好地吻合,后期会逐渐偏离.

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。

宜-巴高速公路泥质红砂岩三轴应力松弛特性研究

软岩应力松弛特性研究是其长期力学特性研究的重要方面,亦是保证高地应力软岩隧道长期安全稳定的关键。采用TLW-2000三轴流变仪,对宜-巴(宜昌至巴东)高速公路泥质红砂岩进行围压为30 MPa的应力松弛试验研究。试验结果表明,在松弛过程中,随着松弛损伤的发展,导致松弛具有明显的非线性特征。对松弛过程中损伤耗散能变化规律的分析,建立松弛损伤的演化方程,并将损伤因子引入到西原模型中建立非线性的松弛损伤模型,通过与试验结果的对比分析,验证所建模型的合理性,可为宜-巴高速公路高地应力软岩隧道长期稳定性分析提供科学依据。

基于西原模型的变参数蠕变方程

岩石材料的蠕变具有明显的非线性特征,在蠕变模型中考虑蠕变参数随应力、时间等因素而变化是解决非线性蠕变问题的方法之一。试验已经证实,应力、时间及渗流等外部条件会引起岩石某些力学参数的改变,因此,将蠕变参数视为变量符合岩石材料的本质属性。以西原蠕变模型为基础,研究了各蠕变参数与应力及时间的关系。根据试验结果,通过非线性最小二乘法从蠕变试验数据中求出不同应力作用下不同时刻的各个蠕变参数,再根据参数随应力、时间的分布规律经非线性拟合得到各蠕变参数与应力及时间的表达式,进而可得到变参数的蠕变方程。蠕变参数的变化是岩石非线性特征的充分体现,从损伤力学的角度来讲,蠕变参数的变化反映了岩石内部损伤不断加剧、累积,材料特性不断劣化的演变过程。

考虑温度效应的花岗岩蠕变损伤本构关系研究

为了解核废料处置库围岩在不同温度下的蠕变损伤特性,基于不同温度(20℃～300℃)下花岗岩单轴抗压蠕变的试验结果,分析温度对花岗岩整个蠕变损伤过程的影响特征,认为温度对花岗岩的瞬时弹性模量产生热损伤并加速花岗岩的后续蠕变损伤过程。基于西原模型,引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的蠕变损伤变量,建立温度作用下花岗岩的蠕变损伤本构模型。通过不同温度下花岗岩的蠕变试验数据对建立的蠕变损伤模型参数进行识别,得到不同温度下蠕变损伤模型的材料参数。通过比较蠕变损伤模型的理论结果和试验结果发现,该模型能够很好地反映花岗岩不同阶段的蠕变特性,表明该模型的合理性和正确性。分析模型参数随温度的变化规律,结果表明:随着温度的上升,花岗岩的蠕变损伤破坏时间迅速减小,并满足负指数衰减规律;随着温度的上升,花岗岩的蠕变阶段的破坏特征从脆性向延性转变,其破坏特征参数满足负指数增加规律;随着温度的上升,花岗岩的松弛时间迅速减小。

热力耦合作用下岩石流变模型的本构研究

高放废物深埋处置和深部采矿中,岩石在温度和应力长时间作用下表现出流变特性。对3种常用的流变元件:弹性元件、黏性元件和塑性元件进行讨论,对其在温度和应力作用的变形特性做了相应的假设,然后基于西原流变模型,得出热力耦合作用下西原模型的蠕变方程、卸载方程和松弛方程,当把温度影响因素去除,方程可退化为只受到载荷作用下西原模型的本构方程。通过这些本构关系可大致预测特定温度变化条件下岩石的流变破坏时间,并得出温度的变化会缩短岩石的流变破坏时间,温度变化率越大,岩石的破坏时间越短,分析认为其量级是相当的,即温度升高变化率每增加一个数量级,破坏时间就缩短一个数量级。这对研究深部岩石流变变形特性具有重要的指导意义。

宁波软土流变试验及经验模型

为了研究宁波软土的流变特性及经验模型,进行一维固结流变试验和三轴排水流变试验,并采用西原模型拟合模型参数.试验对比分析表明,固结试验的侧限作用会阻碍试样流变的发展,应力-应变等时曲线偏向应力轴,而三轴流变试验试样的流变能够得到充分地发展,应力-应变等时曲线偏向应变轴,能够更好地体现软黏土的流变性状.将一维西原模型应力-应变关系扩展到三维,采用修正剑桥模型屈服函数描述材料的塑性屈服.推导荷载恒定时土样的轴向应变计算公式,根据三轴排水流变试验结果进行曲线拟合,确定西原模型参数.结果表明,该模型能够较好地符合宁波软土的流变规律.

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。

泥质粉砂岩高围压三轴压缩松弛试验研究

高应力条件下应力松弛特性是岩石长期力学特性研究的重要方面,开展了泥质粉砂岩围压为15~35 MPa的三轴松弛试验研究。高围压下应力松弛曲线的分析表明,岩石的应力松弛可以分为衰减松弛和稳定松弛两个阶段。当松弛初始应力水平较低时,试样主要以衰减松弛为主,很快趋于稳定,当松弛初始应力水平接近岩石峰值应力时,应力松弛明显增大,并出现明显的稳定松弛阶段。不同围压条件下,试样松弛曲线对比分析表明,松弛初始应力水平较低时,岩石处于黏弹性阶段,围压对岩石松弛特性的影响相对较小,随着松弛初始应力水平的增大,当应力水平接近峰值应力时,岩石的应力松弛将随围压的增大而减小。基于三轴松弛试验结果的分析,建立了能够反映泥质粉砂岩三轴松弛特性的西原模型,并验证了模型的合理性。

基于分数阶微积分改进的黄土西原模型

基于分数阶微积分构造的软体元件可反映介于理想固体与理想流体之间的岩土材料流变性质。应用软体元件替换传统西原模型中牛顿粘滞元件,改进的西原模型更符合材料的实际力学行为。为反映岩土材料流变的非线性特性,应用简化的SN元件与考虑应力及时间的损伤变量进一步改进软体元件的类粘滞系数,得到了由变参数的软体元件改进的西原模型。应用Q2黄土三轴蠕变试验结果对模型进行验证,结果显示改进后的西原模型可以很好地反映黄土的整体流变特性。