粉砂质泥岩蠕变特性与非线性黏弹塑性本构模型

针对边坡、隧道工程中粉砂质泥岩长期稳定性问题,采用DZSZ-150型多场耦合岩石三轴压力试验机,利用粉砂质泥岩相似材料试样,开展不同围压下粉砂质泥岩蠕变试验。根据蠕变试验结果建立可描述粉砂质泥岩蠕变全过程的非线性黏弹塑性本构模型,以7 MPa围压下蠕变试验结果为例,对所提出的蠕变本构模型进行合理性和可行性验证。结果表明:试样的稳态蠕变速率与偏应力大小有关,随着偏应力的增加,试样稳态蠕变速率与偏应力之间符合指数函数关系;在加速蠕变阶段的蠕变速率相对低偏应力水平下减速蠕变和稳态蠕变速率明显要增大很多,且非常短时间内就发生了蠕变破坏;提出一种描述粉砂质泥岩全蠕变过程的非线性黏弹塑性本构模型,该模型能描述粉砂质泥岩蠕变-破坏全过程的蠕变变形规律,反映了粉砂质泥岩在不同偏应力水平作用下的蠕变特性,克服了经典模型中无法准确描述加速蠕变过程的难题。

考虑层理倾角的炭质板岩蠕变损伤本构模型

针对层状岩体的各向异性特征,以炭质板岩为研究对象,开展不同层理倾角炭质板岩的蠕变力学试验.基于蠕变试验结果,建立可以描述不同层理倾角炭质板岩加速蠕变的改进Nishihara非线性损伤蠕变本构模型,推导该模型的一维、三维本构方程.研究结果表明,炭质板岩的蠕变过程存在明显的应力阈值.当应力小于阈值时,炭质板岩只发生衰减蠕变;当应力达到或大于阈值时,开始发生稳态蠕变;当应力达到或超过破坏应力时,炭质板岩发生加速蠕变并发生蠕变破坏.模型参数反演辨识结果表明,改进Nishihara蠕变模型能够很好地描述炭质板岩的整个蠕变过程.基于参数辨识结果,对模型参数与围压和层理倾角的关系进行探讨,得到损伤参数c与层理倾角的关系式,分析损伤参数d与黏滞系数对加速蠕变阶段的影响.

基于塑性元件微元化的重塑黄土黏弹塑性本构模型

基于塑性元件微元化和无穷级数的思想,通过加、卸载条件的三轴蠕变试验建模并通过动力三轴试验验证,建立了重塑黄土的黏弹塑性本构模型,并获得了相应的参数指标。研究表明,该模型可以很好地描述重塑黄土的蠕变、静力和动力特性,且能更加合理地解释卸载条件下回弹曲线的变化特征。塑性元件微元化的处理方法弥补了以往黏弹塑性本构模型中塑性变形不易描述的缺点,相比其他的黏弹塑性本构模型,该模型应用更加简单且适用范围更广。

土工格栅蠕变特性的试验研究及粘弹性本构模型

土工格栅的蠕变特性是影响土工格栅加筋支挡结构长期工作性能的重要因素。通过实验室内蠕变试验,针对不同荷载和温度组合,对土工格栅的蠕变特性进行了对比试验。通过对试验结果的综合比较,详细地分析了土工格栅载荷-应变等时曲线、蠕变曲线及松驰曲线的变化特征,由此并基于粘弹性理论提出了能够反映土工格栅蠕变特性的粘弹性本构模型,提出了模型参数的合理确定方法。并通过模型预测与试验结果的对比论证了所建议粘弹性本构模型的可靠性。

土工格栅蠕变特性及其黏弹塑性损伤本构模型研究

首先通过土工格栅蠕变试验,比较分析了不同荷载水平下的土工格栅蠕变规律。对以往典型的土工格栅蠕变模型进行归纳分类,并将之与蠕变试验结果对比,评价它们的适用性与可靠性。在此基础上提出了一种土工格栅黏弹塑性损伤本构模型,并应用最优化方法求解模型参数,论证了其合理有效性。研究指出,以往研究所提三类典型的蠕变模型都只适合于描述低应力水平下的衰减模式蠕变,不适合描述高应力水平下的非衰减模式蠕变;土工格栅三参数黏弹性模型,能够较准确地反映土工格栅在低应力水平情况下的两阶段衰减蠕变特性;而考虑材料黏塑性变形以及损伤而建立的土工格栅黏弹塑性损伤模型,能够准确地反映其在高应力水平情况下的三阶段非衰减蠕变特性。

干湿循环作用下吹填固化轻质土蠕变特性研究

采用新型固化技术对高含水率吹填土进行固化处理,通过三轴流变仪,考虑干湿循环次数、围压和初始静偏应力等因素研究其对吹填固化轻质土蠕变变形和抗剪强度指标的影响规律。试验结果表明:吹填固化轻质土具有密度小、质量轻及强度高等优点。在一定程度上,增大围压可有效缓解吹填固化轻质土的蠕变变形,而初始静偏应力对其影响较小,前7次干湿循环对土体破坏应力的影响最大,而后基本保持不变。抗剪强度指标c、φ值均随初始静偏应力的增加而逐渐降低,随干湿循环次数的增加呈现出先减小而后逐渐稳定的趋势,且前7次干湿循环,二者均呈指数函数降低;7次以后,变化均较小并逐渐稳定。基于c、φ值与时间关系曲线,分别构建了不同偏应力作用下吹填固化轻质土c、φ值的预测公式。根据蠕变曲线发展态势,通过回归分析,引入围压、初始静偏应力和干湿循环次数等因素,建立了吹填固化轻质土蠕变变形预测模型,并验证了其可行性。研究结果可为实际工程场地提供理论依据。

浸水条件下含水率对粉砂质泥岩蠕变特性的影响研究

泥岩具有强度低、遇水易软化的特点,尤其是富水泥岩地层,对工程岩体的长期稳定性影响较大,但相关研究少有报道,因此亟待深入研究泥岩遇水蠕变特性。开展了不同初始含水率泥岩试样在天然和浸水条件下的分级加载蠕变试验,研究了水对岩体蠕变特性的影响机理,结合广义Kelvin模型,构建了考虑含水劣化效应的蠕变损伤本构模型,并将新模型嵌入FLAC3D有限差分软件中,模拟了不同工况下泥岩蠕变变形特性,并与室内试验结果进行了对比。结果表明:随着含水率的增大,岩体蠕变应变量增大,长期强度降低;相比天然条件,浸水环境使得岩体长期强度劣化更为严重,试样初始含水率越小,浸水条件对其蠕变变形影响越大;将岩体因水的劣化效应定义为蠕变参数的损伤因子,损伤因子随着含水率的增加而提高;考虑含水劣化效应的蠕变损伤本构模型数值模拟结果与室内试验结果基本吻合,验证了新模型的合理性。

干湿循环条件下岩石蠕变本构模型研究及应用

库水位周期性涨落使库区边坡岩石反复经历干湿循环过程,岩石蠕变特性发生显著变化,直接影响边坡稳定。针对干湿循环条件下岩石蠕变特性,将非线性阈值元件与西原模型串联,建立了考虑干湿循环作用的岩石蠕变本构模型。将该模型嵌入FLAC 3D分析程序中,并用于锦屏一级水电站左岸边坡蠕变分析。研究结果表明:提出的非线性蠕变本构模型可以准确描述岩石蠕变的全过程,通过二次开发分析程序能准确计算岩石蠕变位移,将其用于模拟分析不同干湿循环次数下边坡蠕变效果良好,能直观给出边坡蠕变位移显著增大区域的位置和范围,可为采取合理工程措施以保持边坡稳定及保障库坝运行安全提供参考。

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。

库水位初次升降对卧沙溪滑坡粉质黏土蠕变特性的影响及其变形规律研究

以卧沙溪滑坡为研究对象,通过对该滑坡滑带土的原状土样及干湿循环处理试件进行三轴蠕变试验,分析其蠕变特性,分别建立了Merchant模型、Burgers模型和西原模型并对比分析三种蠕变模型的拟合精度;此外,基于FLAC 3D内置代码简化Burgers模型对卧沙溪滑坡变形及长期稳定性作出预测。结果表明:干湿循环会造成土体承载能力降低,蠕变变形增大,达到稳定的时间变长,且土体衰减蠕变初始阶段的应变速率增大;偏应力水平对蠕变特性的影响体现在低应力下土体经历瞬时变形,衰减蠕变和稳定蠕变阶段,中应力下和高应力下经历瞬时变形,衰减蠕变和等速蠕变阶段;Burgers模型较适用于卧沙溪粉质黏土,且自重影响下的滑坡滑体的蠕变变形主要集中在中上部凸起区域,应加强对该区域的防护。

基于土工格栅黏弹特性的加筋土本构模型研究

将三参数黏弹性模型用于描述土工格栅在低应力水平下所表现出的蠕变特性,根据蠕变试验采用最优化方法确定有关模型参数,并证明三参数黏弹性模型能够较准确地反映土工格栅在低应力水平情况下的2个阶段衰减蠕变特性。然后,提出基于土工格栅黏弹特性的加筋土本构模型,得到土处于弹性和塑性阶段时加筋土的应力、应变计算公式。研究结果指出:加筋土中土工格栅应力与加筋土受力、格栅和土的特性、加筋层间距及时间有关;土体进入塑性状态后,土工格栅应力不变,主要表现出蠕变性,导致加筋土的应变随时间增加;随着时间的推移,土工格栅出现应力松弛,它与土体应力逐渐减小;土工格栅埋置于土中时的应力松弛量小于置于空气中的应力松弛量;加筋土塑性状态到达时间Tp受土工格栅的刚度系数E2、黏滞系数η和土的内摩擦角?的影响最大。

高密度聚乙烯土工格栅拉伸蠕变特性及模型分析

文章通过开展高密度聚乙烯土工格栅的拉伸强度试验和拉伸蠕变试验,比较张力水平大小对其拉伸蠕变的影响,并对不同类型土工格栅拉伸蠕变模型进行回归求解,以提出适用于高密度聚乙烯土工格栅拉伸蠕变的模型。结果表明,与普通土工格栅相比,高密度聚乙烯土工格栅具有很强的抗破坏和抗变形能力;所用的经验型蠕变模型和三参数粘弹性本构模型适用于反映低张力水平情况时的土工格栅蠕变行为;幂函数、双曲线函数、对数函数等三类经验型蠕变模型中幂函数型蠕变模型拟合土工格栅蠕变试验数据的精度最高。

高速铁路加筋土挡墙土工格栅蠕变损伤本构模型研究

基于土工格栅加筋土挡墙良好的工程特性,在高速铁路路基中具有广泛的应用前景。土工格栅在一定环境温度和荷载水平的长期作用下会发生蠕变变形,将影响加筋土挡墙的长期工作性能。基于不同温度(20℃、30℃、40℃、50℃)和不同荷载水平(35%、40%、45%、50%、60%)下土工格栅蠕变的试验结果,分析温度和荷载对土工格栅蠕变过程的影响特性,建立了土工格栅的黏弹塑性蠕变损伤本构模型,确定了蠕变损伤模型的各指标参数值。通过室内蠕变试验结果与蠕变损伤模型理论结果的对比,论证了该本构模型的合理性与可靠性。最后,通过对土工格栅蠕变损伤模型各参数进行敏感性分析,认为塑性系数R和损伤材料参数a、n越大,土工格栅的恒速蠕变阶段越短,越容易发生加速蠕变断裂。研究结果可为高速铁路加筋土挡墙长期性能评价与工程设计提供参考。

考虑软弱夹层蠕变特性的某矿山边坡稳定性研究

以往研究含软弱夹层的边坡稳定性时,多将软弱夹层视作弹塑性体,而忽略其蠕变特性。但在实际工况中,软弱夹层的蠕变特性对边坡稳定性存在极大的影响。为研究软弱夹层的存在状态对岩土体强度变形特性的影响,选用PFC3D离散元软件进行不同条件下的复合岩样标准三轴试验模拟,深入分析其强度变化规律、变形破坏特征以及裂缝分布特性;选用FLAC3D软件建立了依托实际工程的三维模型,选用考虑蠕变特性的Burgers模型,对露天矿山边坡的稳定状态进行深入分析,得到如下结论:1)软弱夹层的倾角、厚度、层数等参数均对复合岩样的强度有显著影响;2)不同软弱夹层倾角下的试验均为剪切破坏,而夹层厚度增大使得试样逐渐转变为张拉破坏,随着夹层层数增加,试样出现更明显的张拉破坏;3)考虑露天矿山软弱夹层的蠕变特性所得强度折减系数比不考虑时降低了约10%,为工程提供了更高的强度储备,可供其他工程参考。

温度-应力耦合作用下无烟煤的蠕变特性与本构关系研究

为了研究无烟煤在温度-应力耦合作用下的蠕变特性,采用自主研发的多功能三轴岩石力学试验机,通过理论分析与物理试验相结合的方法,进行了轴压20 MPa、围压4 MPa、不同温度(30、60、90℃)条件下的三轴蠕变试验。研究结果表明:瞬时应变随温度的升高而非线性增大,30℃、60℃、90℃条件下的瞬时应变分别为0.666%、0.9084%、1.2727%;温度的上升可以增加煤体减速蠕变和稳态蠕变的损伤过程,在72 h的蠕变过程中,30℃、60℃、90℃条件下的蠕变应变分别为0.503%、0.5816%、0.6863%。基于非线性流变力学理论,建立了1个非线性的黏弹塑性本构模型,根据蠕变试验结果,采用曲线拟合法对该模型进行拟合。结果发现吻合效果良好,说明该模型可以较好的描述无烟煤在温度-应力耦合作用下的蠕变过程。

延安Q_2黄土三轴蠕变特性试验研究

对延安地区Q2黄土进行了三轴蠕变试验,通过试验得到了延安Q2黄土不同含水率及不同围压条件下应变-时间曲线和应力应变等时曲线。经过曲线分析发现,应力水平、围压及含水率对延安Q2黄土的蠕变特性具有较大影响,且当应力水平高于试样的屈服应力时,Q2黄土表现出显著的非线性蠕变特性。根据蠕变试验结果及模型原理,利用类比法建立了三维应力状态下的黏弹塑性蠕变模型。在此基础上,建立了考虑瞬时损伤的黄土蠕变本构模型,并运用拟牛顿法对模型中的各项参数进行拟合,结果表明:该本构模型适用于延安地区Q2黄土的蠕变研究,同时,期望该研究成果能为黄土高原其他地区岩土工程设计提供理论及实践意义。

软土蠕变特性的神经网络预测

针对软土复杂的蠕变特性,根据软土三轴蠕变试验,运用人工神经网络原理,建立了软土蠕变的神经网络预测模型.对BP网络进行了三方面改进(附加动量项、自适应调整学习率,贝叶斯正则性能函数),利用三轴蠕变试验资料对已训练好的软土蠕变神经网络模型进行验证,并将该模型应用到某软土地基的沉降预测中.研究结果表明:神经网络预测模型直接利用数据建模,避开了传统本构建模时的人为假设,能客观反映软土的非线性蠕变特性.

两种地基土非线性流变特性与模型理论研究

通过对两种典型地基土 ,即深黄色粉质粘土与浅紫色粉质粘土进行室内单剪蠕变试验研究 ,发现当应力水平大于屈服极限时 ,两者均具有明显的非线性蠕变特性 ;并对两种粘性土进行非线性流变特性分析 ,在此基础之上对两种粘性土建立了统一的本构模型 .

高应力下重塑黄土蠕变特性试验

以延安地区黄土高填方填筑体为研究对象,进行了控制含水率和压实度的高压固结蠕变试验。分析了初始含水率、压实度、固结压力等因素对重塑黄土蠕变特性的影响。使用对数函数对试验结果进行拟合,得到了适合描述延安地区黄土高填方填筑体工后沉降的蠕变模型。试验结果表明:减小初始含水率或增大压实度,能在一定程度上降低土体的蠕变量,从而更好地控制高填方工程的工后沉降。固结压力越大,试样达到稳定所需的时间越长,最大固结压力(2 400 kPa)时,蠕变稳定时间是低固结压力(100 kPa)时蠕变稳定时间的4倍左右。该本构模型能够较好地反映出延安地区黄土高填方填筑体的蠕变特性。

多聚磷酸SBS复合改性沥青混合料低温流变特性及本构关系研究

基于小梁弯曲蠕变试验和直接拉伸应力松弛试验,采用蠕变速率、松弛时间、松弛模量等流变学指标,对比分析了在不同低温条件下,多聚磷酸(PPA)-SBS复合改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料的低温流变特性,同时结合损伤力学和黏弹性力学理论,建立了蠕变损伤模型与六单元广义Maxwell应力松弛模型.结果表明:不同低温条件下,PPA-SBS复合改性沥青混合料进入蠕变稳定期的时间早于SBS改性沥青混合料,其累积变形量和蠕变速率均大于SBS改性沥青混合料;以Burgers模型为基础,结合损伤力学建立的蠕变损伤模型能够较好地反映蠕变损伤3阶段的变形特性;10℃时2种沥青混合料的应力松弛能力几乎相同,而0、-10、-20℃时PPA-SBS复合改性沥青混合料的应力松弛能力要优于SBS改性沥青混合料,且温度越低效果越明显;采用六单元广义Maxwell模型能够较好地描述低温条件下的沥青混合料应力松弛特性.