黄河宁蒙河段黄土蠕变特性与分数阶本构模型研究

黄河宁蒙河段渠堤、土石坝、大型水闸等水利工程构筑物地基在长期荷载作用下会因黄土蠕变产生沉降,进而对水利工程前期建设以及后期的安全运行及维护造成不利影响。因此,对黄土蠕变特性进行研究,揭示其蠕变机理,建立黄土蠕变本构模型具有重要意义。本文以宁蒙河段黄土为研究对象,利用三轴流变仪对宁蒙河段黄土进行一系列的三轴固结排水蠕变试验,基于分数阶导数理论对黄土蠕变变形进行分析。通过数值模拟对试验结果进行验证,并将黄土分数阶蠕变模型运用到黄土地基沉降预测中。研究结果表明:宁蒙河段黄土具有典型的蠕变特性,总体呈非线性衰减蠕变;围压和偏应力对其蠕变特性具有显著影响;分数阶蠕变模型能够很好地描述黄土瞬时弹性变形、衰减蠕变和稳态蠕变3个阶段的变化情况。

卸荷损伤泥岩应力松弛特征及本构模型研究

软弱岩体开挖卸荷形成的损伤对其支护加固后的应力松弛特性影响不可忽视。以红层泥岩为研究对象,开展了不同卸荷损伤程度泥岩的单轴应力松弛破坏试验,研究了不同应变水平及卸荷损伤程度对泥岩松弛特性的影响规律。结果表明:卸荷损伤泥岩在破坏前后的分级应力松弛试验中应力曲线均表现为不完全松弛,应力松弛曲线主要包含减速及稳定松弛两阶段,且各级应变水平下松弛量和松弛时间均随卸荷损伤程度增加呈线性增大趋势。基于分数阶微积分理论,选取R-L分数阶弹黏性元件(F元件),提出考虑黏滞系数时变特征的弹黏性时变元件(FT元件),然后引入卸荷损伤程度因子,提出考虑卸荷损伤的分数阶弹黏性时变元件(UFT元件),最后将该元件引入传统Burgers模型,建立了基于分数阶的非线性松弛本构模型。基于不同分数阶元件的理论本构模型计算值与试验数据对比表明,基于UFT元件的松弛本构模型具有更高的精确性,且不同应力水平及卸荷损伤程度下的模型理论计算成果与试验数据均较吻合,表明该松弛本构模型能够精确地描述卸荷损伤泥岩松弛特征。

考虑孔隙度及泥质含量影响的中砂岩分数阶蠕变模型

为探究砂岩蠕变力学行为受自身含泥量及孔隙度的影响,分别对取自某矿井的4组不同含泥量和孔隙度砂岩进行了分级加载蠕变试验。试验结果表明:泥质含量越高、孔隙度越小,砂岩的强度越低;稳态蠕变速率随应力的增长呈幂函数增加;在相同加载应力比下,泥质含量越高、孔隙度越小的砂岩稳态蠕变速率越高,蠕变破坏应力比越低,变形量越大,长期强度特征值越小;应力敏感性常数与泥质含量及孔隙度之比呈良好的幂函数型关系;基于分数阶蠕变本构模型,建立了一种新的考虑泥质含量、孔隙度以及应力水平、受力时间影响的砂岩分数阶蠕变本构模型,通过参数敏感性分析及试验结果反演推算,验证了该模型能较好地模拟各含泥量和孔隙度下在不同应力状态下的蠕变状态。

管道中重质原油流变特性及流动传热规律

因重质原油流动过程存在历史记忆性和全域相关性,经典牛顿本构模型无法有效刻画其流变特性。建立了能够有效刻画重质原油流变特性的空间分数阶本构模型,并基于有限元法数值模拟了原油流动与传热过程。主要研究了空间分数阶模型阶数对原油流动与传热的影响,分析了平均努塞尔数与摩擦阻力系数随着分数阶阶数的变化规律;并比较了管壁热边界条件分别为常壁温与壁面热流密度下,原油传热过程中局部努塞尔数和对流换热系数的变化情况。研究结果表明:随阶数α(α>1)的增大,原油流变性能逐渐向剪切变稀转变,加快了原油流动速度,同时原油传热性能增强,有助于原油的输运效率增加。此外,在壁面热通量条件下的传热效率高于常壁温条件下的传热效率。因此深入研究原油的流变特性以及流动与传热规律,可为提高管道原油输运效率与经济运行提供理论指导。

沥青混合料动态黏弹性的分数阶微分本构模型

为准确描述沥青混合料的动态黏弹性力学行为,在分数阶微分Zener模型(FDZ模型)的基础上,提出了一种改进的分数阶微分Zener模型(mFDZ模型),给出了频域内动态模量、存储模量、损耗模量和损耗正切等动态黏弹性能表达式,它们满足Kronig-kramers关系。mFDZ模型参数通过两步确定,一是结合不同温度和加载频率下沥青混合料的复模量试验结果,通过Wicket图给出了mFDZ模型中与温度无关的模型参数,二是利用时间-温度等效原理与WLF方程确定了与温度相关的模型参数,同时得到了沥青混合料动态黏弹性能主曲线。将mFDZ模型与FDZ模型和Sigmoid函数经验模型进行比较,结果表明:传统Sigmoid函数经验模型和FDZ模型只能描述具有对称性的动态黏弹特性,而mFDZ模型能够准确描述沥青混合料的动态黏弹性能的非对称特性,且模型与试验结果吻合良好,克服了传统Sigmoid函数经验模型和FDZ模型的不足,为沥青混合料动态黏弹性力学行为的本构描述提供了新的思路与参考。

含杂质盐岩三轴蠕变特性试验研究

针对杂质盐岩蠕变力学特性问题,利用大型程控流变仪,对两种不同杂质盐岩进行分级加载下的三轴蠕变试验。试验结果表明:围压和杂质含量不同,盐岩破坏形态及力学参数均有差异。围压小于临界围压,盐岩呈剪切破坏;围压大于临界围压,盐岩呈大变形鼓状破坏。围压和杂质含量一定,岩盐稳态速率随偏应力增加呈指数增长;偏应力和杂质含量一定,蠕变速率随围压增大而降低,长期强度有所增大;偏应力和围压一定,低杂质(ω=2.1%)盐岩稳态蠕变速率高于高杂质(ω=46.8%)盐岩。体积变形经历了压密期-平静期-扩容期3个阶段,高杂质盐岩体积应变低于低杂质盐岩。将不溶物杂质含量与应力敏感性常数n的关系同分数阶蠕变本构方程进行耦合,建立耦合杂质的盐岩分数阶非定常蠕变模型;将理论模型与试验数据对比分析证实了该模型的合理性。