向家坝水电站坝基挤压带岩石三轴蠕变试验及非线性黏弹塑性蠕变模型研究

基于岩石常规三轴蠕变试验成果,研究向家坝水电站坝基挤压破碎带砂岩蠕变力学特性,分析岩石轴向和侧向蠕变规律。在低应力水平下,岩石仅发生衰减蠕变和稳态蠕变,而且稳态蠕变阶段的应变速率为非零常数,蠕变量不可忽视,岩石变形满足Burgers蠕变模型。当应力达到一定水平时,岩石经过衰减蠕变和稳态蠕变之后发生加速蠕变破坏。不同围压下蠕变破坏特征不同,尤其是加速蠕变启动时间的差别较大,据此提出加速蠕变启动元件。通过将加速蠕变启动元件与Burgers模型串联,建立一个新的岩石六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并从理论上对其蠕变力学特性进行讨论。推导三维应力状态下的岩石蠕变本构模型公式,研究蠕变参数辨识方法。通过与试验曲线的比较,显示所建非线性蠕变模型的正确性与合理性。

岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)及其应用

通过将作者提出的非线性黏塑性体与五元件线性黏弹性模型串联,建立一个新的岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型),该流变模型可以充分反映岩石的加速流变特性。推导了岩石在恒应力与恒应变情况下的流变方程,从理论上对岩石非线性蠕变和松弛特性进行分析,同时利用在岩石流变伺服仪上获得的蠕变全程试验曲线,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行充分验证,试验曲线与非线性流变模型的比较,显示了所建流变模型的正确性与合理性。基于提出的岩石非线性黏弹塑性流变模型,推导该非线性流变模型在三维条件下的中心差分格式,采用FLAC3D所提供的二次开发程序接口,研制岩石非线性流变数值程序,同时通过一个单轴压缩算例,进一步验证提出的非线性流变模型的正确性与合理性。采用研制的非线性流变数值程序,对锦屏一级水电站坝基岩石工程进行三维流变数值模拟,分析结果为锦屏一级水电站坝基岩石工程的长期稳定与安全性提供了合理建议与评价。

一种新的非线性粘弹塑性流变模型

根据岩石蠕变条件下裂纹扩展特性,在前人研究的基础上建立了一个能反映加速蠕变阶段的非线性粘弹塑性流变模型,该模型能描述蠕变变形的3个阶段,即初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变。结合锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞板岩剪切流变试验结果,通过编写变尺度法(DFP)算法,辨识流变模型参数,结果表明作者提出的非线性粘弹塑性流变模型是正确的。

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

利用CSS-3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明:该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。

高度非线性弹塑性模型的半隐式算法实现

对高度非线性弹塑性本构模型当采用全显式算法进行数值实现的过程中存在误差积累和精度较低的缺点。当采用Newton-CPPM隐式算法进行数值实现的过程中容易出现Jacobian矩阵奇异和不收敛问题。为提高精度、改善收敛性并提高计算效率,提出一种半隐式算法,并采用半隐式算法对Newton-CPPM算法的迭代初值进行改进,形成了改进的隐式算法。最后,以考虑结构性的SANICLAY模型为例,对全显式算法、半隐式算法、隐式算法和改进隐式算法在计算收敛性、计算效率和计算精度方面进行对比。结果表明,半隐式算法可以有效解决显式算法精度低和误差积累的缺点,其计算精度与改进后的隐式算法的计算精度相近。改进后的隐式算法可以有效解决Jacobian矩阵奇异和不收敛问题。

考虑黏聚力与内摩擦系数的岩石黏弹塑性流变模型

基于在岩石剪切流变仪上得到的泥板岩剪切流变试验结果,采用库仑强度准则获得了岩石长期强度参数(长期黏聚力和长期内摩擦系数),与瞬时强度参数进行对比,结果表明,岩石黏聚力对时间的敏感程度高于内摩擦系数对时间的敏感程度.提出了一个考虑黏聚力和内摩擦系数随时间变化的塑性元件,将其与线性黏性元件并联起来,得到一个新的考虑黏聚力和内摩擦系数的非线性黏塑性体(CF-NVPB),同时将CF-NVPB模型与三元件线性黏弹性流变模型串联起来,建立了一个新的考虑黏聚力和内摩擦系数的岩石非线性黏弹塑性流变模型,并推导了该非线性流变模型的蠕变方程与松弛方程.

重复荷载下玄武岩纤维沥青混合料的永久变形及其分数阶黏弹塑性模型

为准确描述高温重复荷载下玄武岩纤维沥青混合料的非线性黏弹塑性力学行为,本工作在西原模型的基础上,考虑分数阶黏塑性和Rabotnov损伤律,构建了玄武岩纤维沥青混合料的非线性黏弹塑性力学模型。根据黏弹性力学理论推导了带间歇时间的半正矢波重复荷载作用下沥青混合料永久变形的模型表达式,并利用表达式对玄武岩纤维掺量分别为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%(质量分数,下同)和不掺加纤维的改性沥青混合料的永久变形试验结果进行拟合,算法选取LM最优化算法,确定了全部模型参数。随后根据模型表达式和材料参数,计算了流动数FN、FN指数并与高温下动态模量及车辙试验的数据比较,研究了永久变形的变化规律。结果表明:该模型可以很好地描述重复荷载作用下不同玄武岩纤维掺量的沥青混合料三阶段永久变形特性;玄武岩纤维的掺入显著提高了混合料的高温性能,且其最佳掺量为0.3%;模型计算的流动数FN、FN指数与动态模量及动稳定度数据有较强的相关性,进一步验证了模型描述永久变形行为的准确性。最后对比了分数阶参数与流动数FN、FN指数的相关性,简要探讨了分数阶参数与沥青混合料高温性能的关联性。

考虑混凝土应变率变化的高拱坝非线性动力响应研究

提出一种新的应变率相关的混凝土非线性弹塑性损伤模型,采用此模型对混凝土拱坝的非线性地震响应作了分析。在综合考虑坝-地基-库水动力相互作用和坝缝非线性接触的基础上,着重研究了混凝土应变率相关效应及加载历史对混凝土极限强度等重要参数及拱坝响应的影响,并与采用不考虑应变率影响的混凝土损伤模型计算结果进行了对比分析。结果表明,拱坝考虑横缝作用后的坝面应变率分布不同于整体拱坝。应变率分布形态不仅可以很好地表征拱坝的振动形态,而且对于高拱坝的动力响应的影响也不可忽略。

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特性研究

讨论高地应力条件下隧道软弱围岩发生挤压大变形的复杂力学行为,将挤压大变形归属为变形速率快而收敛速率慢的非线性流变变形范畴。在分析挤压大变形流变力学机制的基础上,分别提出非线性二维黏弹塑性本构模型和大(小)变形三维弹黏塑性本构模型,并进行相关专用程序的研发。运用所研发的材料子程序,对相关流变模型进行理论分析,就乌鞘岭铁路隧道软弱围岩施工开挖大变形问题进行工程应用研究。

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特征及其锚固机制研究

介绍围岩大变形的工程实例、隧道围岩挤压性大变形的定义及其工程特征。系统总结国际上隧道围岩挤压性大变形的3种预测方法,即:经验法、半经验半理论法和试验判定法。将Hoek(1999)对围岩挤压大变形的预测和判定方法(半经验半理论法)应用于乌鞘岭隧道岭脊段F7断层带开挖施工中的围岩稳定性判别,并对这种预测方法进行了可靠性评价,认为有支护情况下比无支护情况下变形预测失效概率要小得多,也就是说毛洞围岩变形收敛率的大小更难以掌控。介绍作者团队对隧道围岩挤压性大变形问题按三维非线性流变的理论分析、相应专用软件的研制;并将理论研究计算成果与现场实测数据进行对比,结果按大变形三维问题的计算值比按小变形二维平面问题的计算值更接近工程实际;同时,指出了有待进一步深化研讨的若干问题。最后,提出了管控/约束隧道围岩大变形持续发展的锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力长锚索,分析其机制和优势,介绍其构造类型,并提出下一步的研究思路。该方法已在几处工地不同程度地成功实施,取得了应有的经济效益和技术成果。

循环加载下钢构件考虑几何非线性和材料非线性的分析方法

在双剪统一屈服准则的基础上,建立了一种全新的可以适用于多种不同材料的统一屈服准则.采用混合强化准则,考虑Bauschinger效应、屈服平台、硬化(软化)效应,建立了结构钢弹塑性统一本构模型,并推导了U.L格式的非线性有限元方程.

绿片岩三轴流变力学特性的研究(II):模型分析

首先,基于在岩石全自动流变伺服仪上得到的绿片岩三轴流变试验曲线,采用五元件线性粘弹性模型对表现为粘弹性流变特性的曲线进行了辨识,获得了绿片岩的粘弹性流变参数;然后,提出了一个新的非线性粘性元件,并将其与塑性体并联起来,得到一个新的非线性粘塑性体(NVPB),该体能充分反映岩石的加速流变特性:同时,将NVPB模型与五元件粘弹性模型串联起来,建立了一个新的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型。采用绿片岩加速流变全过程曲线,对提出的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型进行了辨识,得到了岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型的材料参数。流变模型与试验结果的比较,显示了所建模型的正确性与合理性。

循环荷载作用下岩石疲劳本构模型初探

为研究循环荷载作用下岩石的疲劳本构模型,提出了3个疲劳基本元件:弹性疲劳元件(HF)、黏性疲劳元件(NF)和塑性疲劳元件(YF)。通过疲劳基本元件的组合建立了稳定疲劳模型(广义开尔文与伯格斯疲劳模型)与不稳定疲劳模型(非线性黏弹塑性疲劳模型);当且仅当n>1时,非线性黏弹塑性疲劳模型才可完整模拟岩石的减速疲劳、等速疲劳和加速疲劳3个阶段。研究结果表明:非线性黏弹塑性疲劳模型可较好的模拟岩石的疲劳变形规律;若疲劳变形规律具有明显的减速、等速及加速阶段,则加速疲劳参数n将随岩石单轴抗压强度增大而减小。根据研究结果提出用临界应力比而非临界应力设计疲劳试验的参数,可能更为合理。

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。

基于非定常分数阶微积分的岩石蠕变模型研究

分数阶导数引入蠕变模型可较好地模拟蠕变特性,为了解决常规分数阶黏滞体的微分阶次多为定常数,不能用同一元件模拟岩石蠕变的衰减、稳定或加速阶段的问题,基于分数阶微积分理论,提出了一种非定常微分阶次的分数阶黏性元件,将此元件与引入分数阶的理想黏塑性体及理想弹簧串联,建立了新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型的蠕变方程,并分别利用岩石蠕变试验结果及西原体模型、河海模型对其合理性进行了验证、对比。结果表明:所建模型拟合曲线与试验数据吻合较好,误差较小,具有较高的准确性及合理性,能够较好地模拟岩石岩石蠕变全过程。

沥青路面永久变形的非线性本构模型研究

为了合理地预估沥青路面的车辙,建立了一个新的非线性粘弹-弹塑性本构模型.此模型是由广义的Maxwell模型串联一个弹塑性模型而组成.然后,从蠕变的角度详细推导了广义的Maxwell模型的线性和非线性的粘弹性本构方程.采用非线性有限元法对4种沥青混合料的车辙深度进行了计算,并与SHRP的有限元结果以及SWK/UN的实验结果进行了比较,说明所建立的非线性粘弹-弹塑性本构模型是有效的.此模型可以体现沥青混凝土材料的非线性弹性、塑性、粘弹性、非线性粘弹性对沥青路面车辙的影响,较为全面地反映沥青路面永久变形的特性.

大牛地气田马五_(1-2)致密碳酸盐岩储层平缓构造带裂缝预测

大牛地气田处于鄂尔多斯盆地平缓构造带.为了有效预测大牛地气田马五1-2储层致密碳酸盐岩储层裂缝发育规律,根据岩心观察、薄片裂缝特征鉴定,确定裂缝主要为压剪应力环境下形成的构造剪切缝和扩张破裂缝,有效性较高.结合岩石声发射实验曲线和碳氧同位素分析结果,马五1-2储层裂缝形成期为3期,应力环境在61.37～120.75MPa之间.参照岩石力学测试结果和岩石应力应变关系,选用非线性弹塑性力学模型对大牛地气田马五1-2储层顶部构造进行应力模拟裂缝预测.结果表明：应力模拟结果与声发射反映的应力环境相同,高值应力区（大于70 MPa）主要集中在大牛地气田鼻隆构造带和变形较强的交汇区,这些地区岩心裂缝密度较大,应力与产能相关因数达到0.8以上,高值应力对产能控制作用明显.确定构造应力大于80 MPa为裂缝发育区,60～80 MPa为裂缝较发育区,低于60 MPa为裂缝不发育区.应力模拟裂缝预测模型可靠,预测结果可为大牛地气田马五1-2储层的后续开发评价和其他构造平缓带碳酸盐岩储层裂缝预测提供依据.

深埋大变形隧道炭质板岩蠕变特性试验

针对深埋隧道中厚层炭质板岩蠕变特性,进行三轴压缩强度试验与三轴蠕变试验,建立能反映时间损伤的炭质板岩蠕变模型,进而为后续的深埋隧道时空效应分析提供蠕变模型与参数。结果表明,炭质板岩峰值强度较高,峰后出现应变软化,破坏时出现明显剪切破裂面。蠕变试验显示,随着加载应力水平提高,轴向与侧向均出现衰减蠕变、稳态蠕变及加速蠕变,侧向与轴向应变之间的关系由近似线性增加趋于破坏应力水平时的非线性增加。轴向蠕变存在起始应力阈值,约为同围压下瞬时抗压强度的60%,侧向蠕变起始应力阈值约为轴向的50%,侧向加速蠕变比轴向加速蠕变发生略早。在Burgers模型中引入反映力学参数随时间损伤劣化的损伤因子,建立了变参数Burgers蠕变损伤模型,损伤蠕变模型对试验数据的拟合效果优于定常Burgers模型。将变参数Burgers蠕变损伤模型串联一个由非线性黏壶与塑性元件并联而成的非线性粘塑性体,建立了非线性粘弹塑性蠕变损伤模型,该模型较好的描述了炭质板岩的加速蠕变,可用于后续的隧道大变形时空效应分析。

超载预压法的卸载控制理论研究

超载预压法是处理软土地基的一种有效的方法,其处理效果可以从工后沉降(后续变形)得到反映,而工后沉降与超载预压的超载比及卸载时地基达到的平均固结度有关。对于超载卸除前地基应达到的平均固结度(即卸载控制问题),目前还缺乏简单有效的计算模型。从超载预压的原理出发,基于e?lg p曲线,提出了考虑土体骨架非线性弹塑性应力-应变关系的二元件固结模型,给出了该模型的固结微分方程,并用差分法进行了求解,与传统卸载控制理论相比显示出了较理想的结果。同时,基于该模型讨论了渗透系数和土骨架的弹塑性应变的比例对卸载控制的影响。

TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟

为了研究TBM盘形滚刀的破岩效率及其最优贯入度,运用有限元单元理论,采用扩展的Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型作为岩石的本构模型,考虑包括单元删除功能的损伤失效准则,对双滚刀切削岩石的过程进行三维动态模拟,研究岩石与刀具相互作用特性。利用回转式切削实验台进行双滚刀破岩实验,验证结果的合理性。研究结果表明:当贯入度为2.0 mm时,2把滚刀的切削力基本相同;当贯入度为10.0 mm时,前把滚刀的切削力大于后把滚刀的切削力;在特定地层下,存在1个最优贯入度,使得滚刀切削比能耗最低;当贯入度为4.3mm时,岩石裂纹能相互交汇,形成完整的碎片,切削比能耗最小;当贯入度小于4.3 mm时,岩石不能产生贯穿裂纹,形成岩脊;当贯入度大于4.3 mm时,岩石过度破碎。