基于ABAQUS的修正Burgers蠕变模型二次开发

通过蠕变有限元理论及实现方法研究,借助ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT,二次开发出修正Burgers蠕变模型子程序。之后对单轴蠕变试验进行数值模拟,对比分析了ABAQUS自带时间硬化蠕变模型和自编修正Burgers蠕变模型的优劣。研究证明本次编写的修正burgers蠕变UMAT子程序能够正确区分沥青混合料的粘弹性变形,弥补了ABAQUS自带蠕变模型的不足。

岩石粘弹塑性本构关系及改进的Burgers蠕变模型

软弱岩石一般具有粘弹塑性共存特性,而典型的Burgers蠕变模型只能描述材料第三期蠕变以前的粘弹性规律,因此,本文基于Mohr-Coulomb准则,提出了新的塑性元件,该元件假定材料屈服后完全服从Mohr-Coulomb塑性流动规律。将该元件与典型的Burgers模型串联,形成了能模拟粘弹塑性偏量特性和弹塑性体积行为的改进型Burgers蠕变模型,推导了相应的粘弹塑性本构关系。给出了模型参数的求解方法,编制了相应的数据处理程序,并结合工程实例,对蠕变模型参数进行了拟合和加权平均取值。应用结果表明:试验曲线与理论计算曲线吻合,改进的Burgers蠕变模型能较好的描述岩石的蠕变特性。

非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型

基于非线性流变力学理论,建立了非饱和滑带土非线性Burgers蠕变模型。模型中不仅考虑滑带土非饱和特性-基质吸力对土蠕变特性的影响,同时考虑了与时间、应力状态有关的非线性黏滞体的流变特性,由非线性黏滞体替换Burgers模型中的线性黏滞体。对非饱和滑带土开展三轴蠕变试验,并对试验结果采用最小二乘法曲线拟合,获得了不同基质吸力下的蠕变参数,并将试验结果与Burgers模型拟合曲线以及提出的非线性Burgers模型拟合曲线进行对比。结果表明,采用非线性Burgers模型能很好地拟合试验结果,且与试验曲线的吻合程度、相关系数明显高于线性Burgers模型。

岩石非定常Burgers蠕变模型及其参数识别

针对岩石蠕变的非线性特征,提出了一种非线性黏壶元件,并分别替换Burgers模型中的两个线性黏壶元件,从而建立了一种非定常参数Burgers模型。推导了非定常Burgers模型的一维蠕变方程,分析模型参数?1与?2取值范围对蠕变方程的影响,从理论上确定了非定常模型能够描述蠕变的3个阶段。在此基础上,将非定常Burgers模型的蠕变方程推广至三维应力状态下,并基于Levenberg-Marquardt算法对向家坝岩石的三轴压缩蠕变试验曲线进行拟合及参数识别。通过对比定常与非定常Burgers模型的拟合曲线与相关系数,可以发现非定常Burgers模型拟合效果更好,且能够准确描述包括加速蠕变在内的岩石三阶段蠕变特性,验证了所构建非线性模型的适用性与合理性。

冻结砂土遗传算法分数阶导数Burgers蠕变模型

为了有效分析和描述冻结砂土的蠕变特性,并观察比较受扰动因素影响的砂土蠕变特性是否受到大的影响。基于Burgers模型的理论基础,将分数代数理论与Burgers模型相结合建立了分数阶导数Burgers蠕变模型,模拟不同温度和不同外荷载下的单轴蠕变曲线,所需参数均由遗传算法全局优化而得到。通过模型模拟而得的理论值与试验而得的数据相对比分析可以清楚的看到两者有着很高的吻合度,且这种吻合不受土体扰动的影响,其次模型意义明确,参数不多,再次验证了分数阶导数Burgers蠕变模型在模拟人工冻结砂土蠕变特性领域有着很高的实用性。

冻结原状砂土分数阶Burgers蠕变模型

为了更好的描述人工冻结砂土的蠕变特性,在Burgers模型的基础上,将分数代数理论与Burgers模型相结合建立了分数阶导数Burgers蠕变模型,对内蒙古地区原状冻土在不同温度和不同加载应力下的单轴蠕变曲线进行模拟,模型参数均由遗传算法全局优化而得。通过对比Burgers模型模拟的结果可以看出分数阶导数Burgers模型能与试验数据严密相关,且所需参数较少,物理意义明确,说明了分数阶导数Burgers蠕变模型能够很好的反映人工冻结砂土的蠕变特性,具有更高的精确性。

黏土模拟退火分数阶导数Burgers蠕变模型

由于一般的人工冻结土体蠕变规律并不符合简单的胡克定律或牛顿黏性定律,且采用整数微积分本构关系存在元件过多的问题,所以借用了分数阶微积分的诸多优点,并把它结合到经典蠕变模型的构造中,即用分数单元代替Burgers模型中的串联黏壶,构造了一种新的蠕变模型——分数阶导数Burgers蠕变模型。运用该种模型拟合冻结黏土和砂质黏土的单轴蠕变规律,模型的参数均由模拟退火算法全局优化而来,分析了单轴蠕变影响因素并对比了经典模型和分数阶模型的拟合效果,发现了模拟退火算法优化后的分数阶Burgers模型能够恰到好处地反映该种冻结土体的蠕变特性。

基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究

在陆地矿产资源日渐枯竭的今天,深海矿产资源已成为全球各个国家争相开采与利用的焦点,深海采矿车是实现深海矿产资源开采的重要装备。海底稀软底质是一种承载力与抗剪强度极低的特殊底质,在采矿作业中,深海稀软底质的物理力学特性直接影响采矿车行走的稳定性。文章选取Burger’s接触模型作为深海稀软底质的本构模型,对某海域海底稀软原状土开展室内三轴试验,通过PFC3D颗粒流数值模拟实验对比实际三轴试验,对稀软底质的Burger’s蠕变模型进行参数标定,同时依据标定结果改变相应参数,针对5种不同底质条件的工况,建立海底采矿车的数字仿真模型,模拟各工况下采矿车在不同行驶速度时的下陷深度。结果显示,下陷深度会随行驶速度呈非线性变化,在一定范围内随着行驶速度的增大而减少并逐渐趋于稳定。同时结果还表明,该区域海底稀软底质具有更高的黏粒含量(38.1%~48.4%)、含水率(88.13%~137.79%)和压缩性(压缩系数:1.86~3.73 MPa^(-1),压缩模量:1.26~2.13 MPa),具有更低的密度(1.3~1.5 g/cm^(3))和强度特性(贯入阻力:0.19~1.32 N,黏聚力:3.7~6.9 kPa,内摩擦角:2.4°~3.9°),即承载力较低,蠕变性能较强。本研究在宏观上做了一般的探讨,为类似参数的稀软底质下海底采矿车的运行安全控制提供了较好借鉴与依据。

考虑沥青混合料空隙率的蠕变特性及改进Burgers模型

为了更为精确的分析不同空隙类型沥青混合料的抗变形性能的影响,在经典的Burgers模型上进行改进,添加了一个非线性元件,得到改进的Burgers模型,将模型的宏观参数转化为离散元PFC的微观参数,植入PFC程序,用于分析不同空隙特征沥青混合料的抗变形性能。结果表明:改进Burgers模型能较好地表征空隙率较大的沥青混合料的蠕变特性,且空隙率较大的沥青混合料在加载过程中相比与空隙率较小的沥青混合料的非线性蠕变变形更为明显,同时,改进Burgers模型可较好地预测在不同温度条件下不同空隙类型的沥青混合料的蠕变变形。用于研究大空隙特征沥青混合料OGFC-13时,当空隙率增大2%时,沥青混合料蠕变变形最大可增大1/2,当空隙率增大10%时,沥青混合料蠕变变形可增大近6倍。

加筋黄土蠕变特性与改进Burgers模型模拟研究

位于中国西北部的黄土高原为滑坡多发区,具有亚稳态结构、高孔隙率和水敏性等特性的黄土在外界扰动作用下会表现出不稳定性。除了土的剪切特性外,蠕变特性被认为是决定长期抗剪强度的关键因素。合理评价加筋黄土的蠕变规律与长期强度对促进加筋黄土的工程应用具有十分重要的意义。本文利用大型直剪设备进行加筋黄土的蠕变试验得出水平剪位移–时间的变化曲线,研究了加筋黄土在大位移强度状态下的蠕变特性。此外,为了克服传统蠕变模型的不足,本文提出了一种引入非线性参数β的改进Burgers模型。与传统的Burgers模型相比,改进Burgers模型能够更准确地描述非衰减蠕变与黏性流动在加速蠕变阶段的曲线。结果表明:加筋黄土存在三种蠕变行为,包括衰减蠕变、非衰减蠕变和黏性流动;水平剪位移与蠕变时间的关系说明了当受到相同的剪应力比时,未加筋和加筋试件表现出不同的行为,加筋试件在限制颗粒在剪切面内的相对运动优于未加筋试件;蠕变速率与剪应力比的关系证实了在蠕变过程中,剪切应力会导致剪切带中土粒间发生会持续累积的相对位移,最终导致试件沿剪切面破坏。颗粒间接触损失的连锁反应,伴随着黏性位移过大,蠕变抗力迅速减弱,最终加速蠕变位移,为揭示缓慢移动滑坡灾害的形成机理提供了关键证据。

基于修正Burgers模型的沥青混合料粘弹性蠕变损伤时-温激励特性研究

为研究沥青混合料蠕变特性与其时-温条件下的蠕变规律,准确反映沥青混合料蠕变过程及蠕变数值,引入反映材料内部损伤效应的损伤因子,对Burgers模型进行非线性修正,建立修正Burgers蠕变模型,并通过沥青混合料单轴压缩蠕变实验和离散元PFC模拟蠕变试验进行对比分析,以验证模型的可靠性.研究结果表明:通过修正模型对实验结果的拟合分析,得出沥青混合料时-温蠕变过程的5个发展阶段及各自特点;推导出不同温度沥青混合料蠕变值计算公式;建立的非线性材料损伤蠕变模型可较好地描述沥青混合料蠕变过程.

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。

高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

纤维加筋膨胀土的蠕变规律及模型预测

膨胀土是具有流变性质的灾害性土,其蠕变行为直接影响到工程结构的稳定性和安全性。为探究剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性及应力-应变数学模型,采用室内固结排水三轴蠕变试验,分别进行了不同含水率、不同围压和不同偏应力条件下素膨胀土和剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性研究,根据蠕变特征曲线提出了基于Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋膨胀土的修正蠕变模型。结果表明:相同条件下,剑麻纤维加筋土的蠕变变形量明显小于素土的蠕变变形量,说明掺入剑麻纤维可有效提高膨胀土的结构性能和抗变形能力;素土和剑麻纤维加筋土的蠕变变形量随含水率增大而增大,而随围压的增大呈减小趋势;素土和剑麻纤维加筋土在受到偏应力时均会产生瞬时应变量和蠕变变形量,其蠕变变形量随偏应力的增大而增大;素土和加筋土的蠕变曲线分4个阶段,分别为弹性变形阶段、稳态蠕变阶段、衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段;高偏应力下,基于传统Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋土蠕变预测误差高达37.95%,对Mesri蠕变经验模型进行修正后预测误差降至1.5%内,说明修正模型能较好地描述剑麻纤维加筋土的蠕变特性。此研究结果可为膨胀土工程提供理论参考。

抚顺西露天矿泥岩蠕变特性试验及介观模型研究

为研究抚顺西露天矿边坡中泥岩蠕变特征,利用ITZ-1型三轴剪切仪,采用陈氏分级加载法对抚顺西露天矿边坡中的岩样进行蠕变试验,获得岩样蠕变曲线。对试验数据进行数值拟合得到改进的Burgers模型基本参数,在ABAQUS有限元分析软件中对改进的Burgers模型二次开发编写UMAT子程序。通过Python脚本结合Voronoi多边形法建立岩石介观结构模型,模拟得出岩样蠕变曲线,分析试验蠕变曲线及数值模拟得出的介观尺度损伤。研究结果表明:抚顺西露天矿边坡中泥岩具有减速和等速蠕变阶段特性,岩石介观模型模拟所得蠕变结果与试验结果误差较小,泥岩中沿轴向生长的介观结构更易发生损伤、破坏。所建岩石介观模型可以更精确地模拟岩石介观结构特征,为工程实际中的岩石力学仿真模拟提供参考。

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。

冻结重塑黏土分数阶蠕变本构模型分析

人工冻土的蠕变特性受温度场、水分场、应力场的相互影响,而传统的岩土本构模型未能考虑温度、含水率等因素。为了表达冻土介于理想固体和理想流体之间的某种“勾兑效应”,基于岩土的经验模型,将分数阶导数理论引入其中,建立受水、热、力三场耦合影响的人工冻土分数阶蠕变模型。将西安某煤矿黏土重塑并进行不同温度、含水率的单轴抗压和单轴蠕变试验,得到温度和含水率对冻结重塑黏土强度特性和蠕变特性的影响规律。分析冻结重塑黏土在不同负温、含水率及两种应力等级下的蠕变曲线,得到lg t-lgε曲线的线性关系,进而得出冻结重塑黏土分数阶蠕变模型相关参数与温度、含水率的函数关系。对比分数阶冻土蠕变模型试验值与计算值,发现该模型能够很好地反映冻土在不同应力等级下其蠕变随温度和含水率的变化规律,对指导寒区冻土工程设计与施工具有重要意义。

基于Burgers三维损伤蠕变模型的巷道围岩流变特性分析

为了解决传统蠕变模型无法反映加速蠕变阶段的问题,引进了Kachnov损伤理论,在Burgers模型上串联一个弹塑性损伤体。推导出了等围压三轴实验条件下轴向蠕变表达式,并用非线性拟合的方法来识别模型参数。经证明:在该损伤模型中,当岩石所受应力大于屈服强度时,将触发损伤体进入加速蠕变阶段,而岩石的全程蠕变规律可以通过线性与非线性蠕变叠加来进行描述。通过红砂岩蠕变实测曲线与理论曲线对比分析证实了该模型的合理性。此外,本文还推导出Burgers三维损伤蠕变模型在复杂应力条件下的本构方程,并通过拉普拉斯变换得到圆形巷道围岩变形规律的解析解。

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。

砂岩直接拉伸蠕变特性及Burgers模型的改进与应用

应用自行研制的岩石直接拉伸装置对红砂岩进行了单轴直接拉伸蠕变试验,试验结果表明,在低应力状态下砂岩的直接拉伸蠕变由衰减蠕变和稳态蠕变组成,高应力状态下砂岩直接拉伸出现历时较短的加速蠕变阶段。在对蠕变特性分析的基础上对Burgers蠕变模型进行了改进,引入了一个非线性黏塑性体,并基于BFGS算法对拉伸作用下蠕变试验结果进行直接拟合。结果表明,基于BFGS算法的改进Burgers蠕变模型理论曲线与试验曲线吻合效果较好,引入模型的非线性黏塑性体其黏性系数ηN的初始值较大(1019以上),该非线性黏塑性体在砂岩的加速蠕变阶段起到主导作用;改进Burgers模型不仅可以描述砂岩直接拉伸状态下的衰减蠕变和稳态蠕变阶段,而且可很好地描述砂岩加速蠕变过程。