修正广义Kelvin蠕变固结模型研究

软土变形的时效特性产生于蠕变和固结,但蠕变和固结基于不同的变形机制,因此研究蠕变固结耦合效应的计算模型对于软土工程来说是十分重要的。采用将非线性本构模型和Biot固结模型耦合的方法,建立修正的广义Kelvin蠕变固结模型,即非线性弹-黏弹固结模型。首先,根据软土室内试验成果分析变形机制和应变随应力和时间的变化规律,找到函数拟合关系;其次,将Duncan模型和修正的广义Kelvin模型相结合,建立描述上述函数拟合关系的本构模型。然后,将该本构模型代入Biot固结理论的平衡方程,并提出基于非线性变形特征的蠕变固结模型。该模型共有14个模型参数,包括8个Duncan参数,均可通过常规三轴试验确定。通过一个实际工程的计算,完成该模型的计算流程,并对计算结果进行分析和比较,验证所建模型的有效性,探讨软土蠕变对地基中孔隙水压力及应力水平的影响,在此基础上获得一些有益的结论。研究结果表明,采用修正的广义Kelvin蠕变固结模型进行软土变形特性分析是一种合理的方法,具有模型机制明确、参数确定方法简单的优点。另外,虽然蠕变和固结都会给工程带来工后沉降问题,但两者对工程的影响是不一样的,改善地基的排水条件可弱化蠕变效应并提高工程的安全度。

机织建筑膜材料的广义Kelvin-Voigt蠕变模型

对平纹组织为基布的PVC涂层膜材料进行了经纬两方向各自5种不同应力条件下的单轴向拉伸蠕变试验,给出了广义Kelvin-Voigt模型的具体蠕变方程,并利用广义三参数、五参数与七参数Kelvin-Voigt的蠕变方程对实验数据进行了分析.结果显示:随着模型参数个数的增加,预测效果也呈现出递增趋势;当模型参数为7个时,各应力拟合的确定系数均在99.9%以上,表明七参数广义Kelvin-Voigt蠕变模型已可以很好地预测膜材料的蠕变特性.

基于广义Kelvin链钢管混凝土徐变研究

混凝土徐变是混凝土材料本身固有的一个时变特性,是结构响应中一个重要组成部分,其计算方法通常是建立在单轴试验和理论基础上。为探讨钢管混凝土徐变特性,该文采用自制的压力自平衡混凝土徐变试验装置对混凝土圆柱和圆钢管混凝土柱进行了徐变试验,结果表明:钢管混凝土柱徐变变形要比普通混凝土柱的徐变变形小,在该文试验中两者相差接近50%,这可能是密闭钢管内核心混凝土无法与外界发生水分交换而不发生干燥收缩和干燥徐变以及钢管围压所致。根据粘弹性理论,引入多参数Kelvin链粘弹性元件模型,建立了求解单轴应力状态下混凝土徐变的Volterra型积分方程,模型参数近似表示为连续粘滞谱。通过离散时间变量t和分步积分,进一步得到了单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型。依据徐变叠加原理,考虑Poisson效应,进一步将单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型拓展到三轴应力状态,用于钢管混凝土徐变分析。对有限元商用软件Ansys进行二次开发,将反映三轴应力状态下混凝土徐变性能的本构方程引入Ansys提供的用户子程序Usermat中,并采用Fortran语言编程,从而实现了钢管混凝土徐变长期性能的有限元分析计算。将有限元数值解与试验结果进行对比分析,发现该文提出的模型是科学的和有效的。该文提出的方法将为混凝土徐变计算提供了另一条有效途径。

基于Kelvin链率型模型的混凝土徐变有限元计算

基于混凝土徐变固结理论,推导出一种计算混凝土徐变的递推格式,递推过程可以结合使用有限元商用软件来完成。首先,基于Kelvin链模型,将徐变Volterra积分方程转化为率型徐变积分微分方程;其次,将时间进行离散,通过引入中间变量,把率型徐变积分微分方程转化为可递推计算徐变方程;再次,使用可递推计算徐变方程,结合应力应变增量弹性本构关系,建立考虑复杂应力状态下混凝土徐变分析的包含初应变的应力应变增量弹性本构关系。在此本构关系基础上,构建初应变弹性结构有限元分析模型;最后,作为应用,对Ansys有限元商用软件进行二次开发,用Fortran语言修改Ansys软件中材料本构子程序Usermat,并用其计算了一些现有算例。计算结果表明,研究结果与现有算例结果吻合优良。研究方法无需记录应力历史,大大提高计算效率,亦为复杂结构混凝土的徐变计算提供了另一条有效途径。

节理试样法向蠕变特征及其非定常Kelvin模型

为研究不同法向载荷下大理岩节理试样法向蠕变特征,对4个大理岩节理试样进行了5个法向载荷下的短期蠕变试验。基于节理法向蠕变机理和蠕变试验曲线特征,提出一种非定常Kelvin蠕变模型,并对模型适用性进行分析。结果表明:大理岩节理试样短期法向蠕变主要包括减速蠕变阶段和等速蠕变阶段。在蠕变量较小时,减速蠕变阶段较短;反之,较长。非定常Kelvin模型对蠕变试验曲线的拟合效果较好。随法向载荷增加,节理试样法向蠕变量和拟合相关系数R2整体上呈先减小后增大趋势,粘弹性模量和初始粘滞系数呈先增大后减小趋势。研究结论对岩石节理试样法向蠕变的数值模拟和岩体工程实践具有一定帮助。

基于有损伤体元件的广义Kelvin模型蠕变全过程探究

岩石的蠕变特性往往对隧道和地下工程的稳定性有着重要的控制作用.针对岩石蠕变的阶段性特征,可将岩石蠕变全过程分为四个阶段.广义Kelvin模型可较好地反映前三个阶段的岩石蠕变特性,不能理想地反映加速蠕变阶段特征.通过引入损伤体元件和Kachanov的损伤因子演化公式,构建了具有损伤体元件的广义Kelvin模型,从而建立了可以体现岩石蠕变全过程的蠕变模型,并提出较为简单的组合模型参数计算方法.该模型不仅能较好地反映岩石蠕变全过程,且模型参数易于确定.利用该模型对砂质泥岩单轴压缩蠕变实验曲线进行拟合分析,拟合效果良好,研究结果可为类似工程提供参考.

基于广义Kelvin模型的非定常盐岩蠕变模型

针对川东北油气田盐岩地层普遍出现的套损现象,对该地层段盐岩的蠕变特性进行研究。用非定常黏壶元件替换广义Kelvin模型中的线性黏壶元件,建立非定常广义Kelvin模型;将其与能够描述盐岩稳态蠕变特征的Heard模型进行串联,构建新的四元件NGKH盐岩非线性蠕变本构模型,可以描述盐岩的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段特征。基于室内三轴蠕变试验结果,利用Levenberg-Marquardt算法对NGKH模型蠕变参数进行识别。基于FLAC3D的UDM接口程序,采用C++编程语言对其进行二次开发;并通过三轴蠕变试验的数值模拟对开发NGKH模型进行验证。研究结果表明:NGKH模型的拟合结果与室内试验结果吻合良好,该蠕变模型能够准确描述盐岩的非线性蠕变特性;通过黏弹性与非线性计算结果,验证了开发NGKH模型程序的正确性和合理性。

考虑加速蠕变的岩石蠕变过程损伤模拟方法

针对岩石蠕变的阶段性特征,在深入研究岩石蠕变力学机理基础上,将岩石蠕变过程视为线性与非线性蠕变过程的迭加,通过引入损伤理论和Kachanov损伤演化规律,构建出可反映岩石非线性蠕变过程即加速蠕变过程特征的弹塑性损伤体元件模型,将其与可较好地反映岩石线性蠕变过程即减速蠕变过程特征的Kelvin元件模型进行串联复合,建立出可反映岩石蠕变全过程尤其是加速蠕变特点的岩石蠕变模型,并提出了简单可行的模型参数确定方法,从而建立出岩石蠕变全过程的新型模拟方法;该模型或方法不仅能较好地模拟岩石从减速到加速的蠕变全过程,而且,模型参数少,易于确定.最后,通过理论与实测曲线的对比分析,表明了该模型的合理性与可行性.

望江淤泥质粉质黏土蠕变特性及模型研究

通过室内三轴压缩蠕变试验,对望江地区淤泥质粉质黏土的蠕变力学特性进行了研究。试验结果表明:当偏应力水平加载至75%~90%的三轴抗剪强度时,原状土土样即发生快速变形;蠕变试验的等时曲线显示该淤泥质粉质粘土的蠕变特性具有明显的非线性特征;基于试验结果,采用广义Kelvin模型和Burgers模型对土样蠕变特性进行描述。采用优化分析软件1st Opt对模型参数进行辨识,得到不同围压和各级偏压下淤泥质粉质粘土的蠕变模型参数,采用两种蠕变模型计算所得曲线与试验曲线吻合良好,两种模型均可准确描述其蠕变力学特性,Burgers蠕变模型模拟淤泥质粉质粘土蠕变变形优于广义Kelvin蠕变模型。

煤岩非线性损伤蠕变模型探析

为了研究煤岩蠕变特性,分析前人煤岩蠕变特性实验结果,在广义Kelvin模型的基础上建立了煤岩非线性损伤蠕变理论模型。假定煤岩损伤演化是应力和时间的函数,同时引入非线性硬化函数推导了煤岩非线性损伤衰减蠕变方程和蠕变全过程方程。任意给定方程中材料参数和加载条件,理论得到了煤岩衰减蠕变和蠕变全过程随时间变化曲线,对比前人煤岩蠕变实验结果,验证了用理论模型去研究煤岩的蠕变特性是可行的。

基于FLAC^(3D)含SMP强度准则黏弹塑性模型的二次开发

在分析岩土工程时通常会用到强度准则,在众多强度准则中,SMP准则的物理意义最为明确,其屈服函数表达式是非线性形式,对其进行二次开发研究具有较为重要的意义。利用FLAC3D的二次开发平台,使用VC++环境在FLAC3D软件中实现了含SMP强度准则的黏弹塑性模型的开发,其中的SMP强度准则推广到了黏性土,通过一个简单的算例验证了程序编制的正确性和可靠性,所采用的相关二次开发的思路可以为其他强度准则及流变本构模型的二次开发提供参考。

一种改进的岩石蠕变本构模型

岩石的蠕变曲线通常可以分为衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段。经典的岩石蠕变模型通常包含牛顿黏壶而不是非牛顿黏壶,它们不能描述岩石整个蠕变过程。提出一种改进的岩石蠕变模型,该过程分为3步。首先,用非牛顿黏壶代替Kelvin模型中的牛顿黏壶,给出一种修正的Kelvin模型用来描述衰减蠕变和稳态蠕变。其次,用一种非定常、非牛顿黏壶和塑性体并联的黏塑性体,给出一种经验函数用来描述加速蠕变。再次,用描述瞬时弹性应变的虎克弹簧、修正的Kelvin模型和黏塑性体的串联,给出一种改进的岩石蠕变本构关系及相应的蠕变函数。黏塑性体关闭时,所得蠕变函数可以描述衰减蠕变和稳态蠕变。黏塑性体开启时,蠕变函数可以描述包含加速蠕变在内的3个阶段的岩石蠕变。用给出的蠕变函数拟合了不同应力下的蠕变试验数据,都给出了较好的描述,说明模型具有一定的合理性和适用性。

硬脑膜及其替代物的蠕变特性

对新鲜人硬脑膜、冻干人硬脑膜、硅橡胶膜和涤纶膜作蠕变测量，用广义Ｋｅｌｖｉｎ模型表达蠕变柔量并求得相应的蠕变参数．结果表明，冻干硬脑膜的蠕变性能与新鲜硬脑膜接近，硅橡胶膜次之，涤纶膜偏离较大．为临床硬脑膜重建时选择替代物提供力学测试方法和参考数据．

复合式衬砌在围岩蠕变过程中的受力规律研究

为了分析隧道复合式衬砌在围岩蠕变过程中的受力规律,利用有限元程序ANSYS建立计算模型,采用广义开尔文本构关系,分别分析了二次衬砌在不同支护时机和不同刚度下,复合式衬砌的受力规律。分析结果表明:在不同的时机施加二衬,其受力都有一个逐步增大并趋于稳定的过程,初支与二衬受力随二衬支护时机的变化趋势是相反的;二衬支护越早,其受力越大。通过早施作二衬,来转移初支上的应力是不合适的。当二衬刚度增加时,其所分担的围岩压力将增大,而初支分担的围岩压力有一定的减小。结合云腾岭隧道进行具体分析,得出该隧道二次衬砌的最佳支护时间为开挖后第40天。另外,通过对该隧道现场监控量测分析发现,二衬的受力—历时曲线与有限元分析相吻合。

锦屏一级水电站大理岩蠕变试验与流变模型选择

结合锦屏一级水电站地下厂房洞室群施工期和运行期围岩长期稳定性分析的实际需要,对厂区大理岩进行蠕变特性试验。对于用作比较的Hooke-Kelvin和Burgers两种常用流变模型及其模型参数确定问题进行简要阐述,推荐采用非线性最小二乘拟合的方法直接得到模型参数。对所采用的蠕变试验系统和蠕变试验方法,进行简要的说明和介绍。单轴和双轴蠕变试验结果表明,厂区大理岩试件在所处的应力状态下表现出一定的时效特征,经过一段时间的衰减蠕变后变形趋于稳定,符合Hooke-Kelvin流变模型所描述的蠕变特征,模型拟合曲线与试验数据能很好地吻合。因此,建议采用Hooke-Kelvin流变模型描述大理岩的流变性质。而Burgers模型不宜用来描述大理岩这样的硬质岩石的黏弹性性质,对于Burgers流变模型则应考察较长时间的试验数据。采用Hooke-Kelvin模型能够较好地解释锦屏一级水电站厂房洞室群开挖后变形最终趋于稳定的事实,试验所确定的流变模型及其参数可用于洞室群施工期和运行期的长期稳定性数值仿真模拟。

分级加载下炭质板岩蠕变特性的试验研究

蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,与岩石工程的长期稳定和安全密切相关。为了解炭质板岩的蠕变特性,采用RLW-1000岩石流变试验机进行了单轴压缩蠕变试验。选用广义Kelvin模型、Burgers模型及FC元件组合模型进行了参数拟合分析。分析表明:板岩在低应力水平下,FC元件组合模型拟合效果较好,而在高应力水平下Burgers模型拟合结果优于其余2种模型。总体来讲,不论应力水平的高低,Burgers模型能够较好地反映炭质板岩的蠕变特性。同时,对不同应力水平下的蠕变曲线进行参数拟合,发现黏滞系数在较低应力水平下随时间而增大,而在较高加载应力下随时间显著减小,表现为应力水平和时间的函数,研究成果可为进一步了解该岩石的蠕变特性提供模型参数和设计依据。

岩体结构面蠕变损伤机理研究

通过对伯格斯模型和西原模型的分析比较,选取西原模型研究岩体结构面的蠕变损伤特性。在τ0<τs情况下,由西原模型推出剪切模量的表达式,以剪切模量为变量定义损伤变量,得到结构面的损伤变量表达式。并以泥岩剪切试验为例,计算了相同正压力作用下的结构面剪切模量和损伤量。结果表明:当τ0<τs时,剪切模量、损伤量均随时间趋于稳定,且结构面蠕变的前两个阶段损伤量较小,而当τ0≥τs时,一段时间后,其损伤量开始突变;剪应力越大,其初始剪切模量越大,随时间降低越快,达到稳定蠕变阶段时降低量也相应越大;剪应力越大,结构面损伤量随时间增长越快,在达到稳定蠕变阶段时,损伤量也越大。

高温静水应力状态下花岗岩稳态蠕变参数研究

高温高压花岗岩钻孔实验表明,温度低于500℃,静水应力低于150MPa状态下,岩体的钻孔变形均属于稳态蠕变变形阶段.该文选取了广义开尔文模型来反映其特征,通过拉普拉斯变换及逆变换,详细推演出了钻孔径向位移解析解,并且考虑温度-应力的耦合效应,给出了模型参数随温度及应力变化的关系式.利用该关系进行拟合计算,说明广义开尔文模型来表达高温高压环境中的花岗岩稳态蠕变变形特性,寻求蠕变参数是合理可靠的.该文对于高温岩体地热资源开发中的钻孔施工与维护、钻孔变形量预测等方面,具有实际的指导意义.

芒硝蠕变特性及本构模型研究

为研究芒硝蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对芒硝开展了三轴压缩蠕变试验;基于此,以分数阶粘滞体代替广义Kelvin模型中的常规粘滞体,建立了分数阶广义Kelvin模型;针对其蠕变方程形式复杂、应用不便的缺点对其进行了简化,将简化后的分数阶广义Kelvin模型与Heard稳态蠕变模型相结合,构建了一种新的岩石蠕变本构模型,并利用芒硝蠕变试验结果反演了模型参数。结果显示:同一围压下,随轴向应力增大,芒硝蠕变变形量和稳态蠕变率均随之增加,而各级荷载加载过程中芒硝变形模量不断减小;芒硝蠕变过程具有非线性特征,且随蠕变时间延长,芒硝屈服强度逐渐降低;拟合曲线和试验结果吻合良好,说明该模型能够较好地描述芒硝的蠕变特性。

大理岩单轴蠕变模型参数

采用分级加载方式进行单轴压缩蠕变试验,获得大理岩的单轴压缩蠕变曲线。对比发现五元件Kelvin模型能较好的拟合蠕变试验曲线,取其作为大理岩蠕变模型。对同一应力水平下的蠕变曲线,取10 h、20 h、40 h和50 h四个蠕变时间段,用五元件Kelvin模型进行拟合,分别获得蠕变模型参数。拟合结果表明,蠕变模型参数在不同的应力水平下和不同的加载时间下都是变化的。当应力水平足够大(>58 MPa),E2随加载时间的变化规律和E1刚好相反;当加载时间足够长(>20 h)时,E2随应力水平的变化规律和E1刚好相同。当应力水平足够大(>58 MPa),蠕变模型参数η1和η2始终随着加载时间的增加而增加。当加载时间足够长(=50 h),蠕变模型参数η1和η2始终随着应力水平的增加而增加。