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。

深部硬脆性岩石分数阶蠕变损伤模型研究

硬脆性岩石与软弱岩石一样会发生蠕变破坏,因此研究其蠕变特性对围岩的稳定性具有重要意义。假设黏滞系数与初始弹性模量的幂次方成正比,以此表征岩石初始的软硬和致密状态对其蠕变行为的影响,提出一种改进的分数阶非线性黏滞体,以描述衰减和稳定蠕变阶段的黏弹性特征;根据连续损伤力学理论,引入损伤因子,建立了考虑时效损伤的分数阶非线性损伤黏塑性体,以描述加速蠕变阶段的力学行为。将胡克体、改进分数阶非线性黏滞体和分数阶非线性损伤黏塑性体串联,建立一个硬脆性岩石非线性蠕变损伤模型,并验证其合理性,试验曲线与模型理论曲线吻合良好,说明该模型能较好描述硬脆性岩石蠕变全过程。对模型参数进行敏感性分析,讨论其对蠕变行为的影响,结果表明相关参数对准确描述硬脆性岩石的蠕变特征有重要作用。

卸围压下弱胶结软岩分数阶蠕变损伤本构模型

为研究地下硐室开挖卸荷诱发的软岩蠕变损伤特征,以西部矿区弱胶结软岩为研究对象,利用GDS HPTAS开展了分级卸围压蠕变试验,研究了不同含水条件下弱胶结软岩卸围压下蠕变特征和蠕变速率特征。基于稳态蠕变速率倒数的方法,确定了弱胶结软岩长期强度和含水率的数学指数函数关系。基于蠕变速率曲线特征提出了一种确定衰减蠕变与等速蠕变分界点t_1和等速蠕变与加速蠕变分界点t_2的新方法。引入Riemann-Liouville分数阶积分算子和负时间指数损伤演化变量,定义了非线性损伤Abel黏壶,建立了一个包括弹性元件、黏弹性损伤元件、黏性元件和非线性黏塑性损伤元件的六元件分数阶蠕变损伤本构模型。基于试验结果,采用Trust-Region算法进行了模型参数识别和敏感性分析。结果表明,所建立的模型具有物理意义明确、与试验值吻合度较高等特点,可较为准确地反映开挖卸荷条件下弱胶结软岩蠕变损伤特性,对保障地下工程长期稳定性具有重要的意义。

基于分数阶黏壶元件的岩石损伤蠕变模型

目的为了建立一个能描述岩石蠕变全过程的蠕变模型。方法首先以分数阶黏壶元件描述岩石的黏弹性,采用基于Kachanov损伤率公式的损伤体描述岩石的粘塑性并串联一个胡克体建立成只有四个元件的蠕变模型。然后,将其本构方程推广到三维应力状态,考虑球应力,并引入一个屈服函数来准确判断岩石是否发生非稳定蠕变。最后,采用最小二乘法分析得到模型参数,用红砂岩和砂质泥岩的蠕变实验数据验证模型的有效性。结果新的蠕变模型理论曲线与实验数据曲线吻合较好,可以描述岩石蠕变的全过程。结论新的蠕变模型解决了经典模型在描述岩石蠕变时的模型复杂和参数较多的问题,对研究岩石蠕变特性具有一定的参考价值。

温度-应力耦合作用下深部盐岩蠕变损伤模型

随着我国盐岩储库工程的兴建,浅部适宜矿床逐渐利用殆尽,盐岩储库向深部发展成为必然趋势。为了研究深部盐岩储库实际运营过程中,围岩在三向地应力和温度耦合作用下的蠕变损伤特征,进行了不同温度和应力耦合作用下深部盐岩的三轴蠕变试验。考虑温度和应力对深部盐岩蠕变损伤的影响,认为温度损伤伴随蠕变全过程,所处应力状态达到屈服极限时应力损伤开始发挥作用,且温度和应力与损伤变量之间分别满足Weibull分布和负指数函数的关系。引入分数阶Abel黏壶改进西原正夫模型,建立了一种新的考虑温度-应力耦合效应的黏弹塑性蠕变损伤模型。该模型不仅形式简单,且每个参数都有明确的物理意义,方便模型在数值计算和工程实践中的应用。结果表明:深部盐岩的稳态蠕变率是偏应力和温度的函数,拟合出稳态蠕变应变率本构方程中材料参数A=32.39 MPa-4.83/h、激活自由能Q=7.84×10^(4) kJ/mol、蠕变应力指数n=4.83;不同温度和应力下的黏弹塑性蠕变损伤模型的理论解析解与对应试验数据有良好的吻合度,验证了模型的正确性和精确度。通过蠕变损伤模型各力学元件拟合参数结果验证了温度和应力对岩石蠕变性能的影响规律,证明了所建模型的合理性。所建模型不仅可以精确表征岩石的衰减和稳态蠕变阶段,也能较好地描述加速蠕变阶段的变形特性。

动态冲击下红砂岩蠕变特性及损伤本构模型

为研究岩石在动态扰动下的蠕变特性,在自行研发的冲击扰动蠕变试验装置上,对细粒红砂岩开展了多级冲击扰动蠕变试验,分析了不同蠕变应力与扰动能量下瞬时变形与蠕变行为,结合间接法得到了扰动能量对长期强度的影响。结果表明:动态扰动在较低的蠕变应力下使试样致密,而当蠕变应力超过一定的应力阈值后加剧试样内部的损伤恶化,其引起的瞬时变形与蠕变应变则随蠕变应力表现出先减后增的规律;随着动态扰动能量的增加,试样的破坏应变越大,但长期强度越低;引入长期强度与扰动能量的相关性、动态扰动单元和扰动-损伤黏性元件,建立了黏塑性扰动损伤蠕变模型,结合试验数据验证了该模型的准确性,该模型可以准确地描述砂岩在静态恒载和动态扰动组合作用下的瞬态变形和蠕变行为。该研究成果对于钻爆法隧道的支护设计以及安全生产具有重要的理论意义与应用前景。

钛合金室温受压蠕变损伤本构模型

为了解决工程上在评估深潜器耐压壳体安全可靠性时不考虑拉压蠕变破坏机理产生的差异,会导致较大计算误差问题,本文提出了适用于室温蠕变的蠕变损伤本构模型。通过分析钛合金材料蠕变特性,考虑了室温环境下位错堆积造成的蠕变阻力,并且位错堆积的现象与时间有关。基于微分自洽法提出了适用于室温环境下的钛合金蠕变本构模型,得到受压情况下TC4ELI的相关材料参数,并将该模型用USDFLD和CREEP子程序进行定义。研究表明:对于受压结构而言,使用通过拉伸蠕变实验得到的本构模型的计算结果会过于保守,对于含V型缺口平板受压时等效蠕变应变的相对误差为168.20%。本文所提出的模型适用于环肋耐压壳结构的蠕变损伤分析。

炭质板岩冻融后蠕变特性试验及损伤模型研究

为了揭示炭质板岩冻融后蠕变力学,以汶川-马尔康高速公路卓克基隧道炭质板岩为研究对象。开展了不同冻融循环次数下的三轴压缩蠕变试验。假设岩石受荷载作用下的时效损伤服从Weibull概率密度分布,由此定义受荷损伤变量,依据唯象损伤力学理论定义冻融损伤变量,考虑冻融与应力的耦合效应,构建冻融、受荷总损伤变量。基于炭质板岩蠕变行为表现,确定H-H|N-N|S蠕变模型结构,基于此进行了损伤演化,得到一个新的可反映冻融与应力耦合的蠕变损伤模型,拓展为三维应力状态。给出模型参数求解方法,并分析了损伤演化规律,采用所建模型识别炭质板岩蠕变数据,引入一个传统模型进行了对比,分析模拟对比曲线,验证新模型的可行性和合理性。结果表明:炭质板岩的蠕变试验曲线呈“台阶形”,轴向应变随着时间增长而递增;随着冻融作用的增强,长期强度随之递减,冻融循环作用可能会降低岩石蠕变破坏的难度;新模型对炭质板岩蠕变行为的模拟效果较好,平均R^(2)达0.9878,证明了新模型描述炭质板岩冻融后蠕变特性的可行性。冻融作用的加强,使得炭质板岩内部结构的损伤发展更快,对岩石蠕变破坏起一定促进作用。

水化-冻融耦合条件下大理岩蠕变损伤本构模型

为描述岩石在水化-冻融耦合条件下的蠕变特性,以大理岩为试验对象,分别开展酸性、碱性、中性溶液与不同冻融循环条件下的单轴压缩蠕变及核磁共振试验,分析T 2(弛豫时间)谱分布和蠕变试验结果,并进行耦合损伤演化,得到一个新的考虑水化-冻融与应力耦合的蠕变损伤本构模型。结果表明:1)大理岩T 2谱表现为三个谱峰,岩石以大孔径孔隙为主。2)冻融循环作用促进大理岩孔隙发育,不同溶液环境对孔隙发育影响从大到小的关系为酸性、碱性、中性。3)分别构建水化-冻融和受荷损伤变量,从而建立耦合损伤变量。基于大理岩蠕变特性,确定蠕变基础模型,进行耦合损伤演化,得到新的水化-冻融耦合条件下的大理岩蠕变损伤本构模型。4)新建模型模拟大理岩三种溶液冻融循环50次的的平均R^(2)达0.9854,远高于基础模型平均R^(2)(0.9194),说明本文新建模型对三种岩石蠕变数据辨识效果更好。

HTPB固体推进剂蠕变损伤模型研究

为研究HTPB推进剂的蠕变特性,开展了0.15~0.35MPa应力下推进剂的单轴拉伸蠕变试验;结合线性黏弹性理论和连续损伤力学理论,建立了HTPB推进剂蠕变损伤模型;根据试验数据,确定了不同应力水平下蠕变损伤模型的参数,并获取了应力对各参数的影响规律,最后利用蠕变应力0.2MPa下的试验数据对模型进行了验证。结果表明,HTPB推进剂存在明显的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变三阶段过程;建立的蠕变损伤模型结合Burgers模型的特征和连续损伤力学理论,串联含损伤的黏壶元件,克服了Burgers模型无法反映蠕变破坏阶段特性的不足。提出的蠕变损伤模型与试验值拟合度高,误差在3%以内,可以准确地描述推进剂在不同应力水平下的全过程蠕变特性。

考虑硬化和损伤效应的盐岩蠕变本构模型研究

盐岩是储存化石能源和高放射性核废料的理想介质,研究盐岩蠕变力学特性对地下盐岩储库的安全营运具有重要意义。为合理反映盐岩蠕变过程存在的损伤和硬化两种机制,以元件组合模型为基础,结合分数阶微积分理论建立了一种考虑损伤和硬化效应的盐岩蠕变本构模型。该模型采用考虑时效损伤的弹性元件描述盐岩加载初期的损伤变形,采用分数阶村山体描述盐岩衰减蠕变阶段的黏弹塑性蠕变力学行为;通过引入描述盐岩屈服强度随时间强化的硬化函数来反映盐岩硬化机制;采用瞬时塑性元件描述不可恢复的瞬时变形。基于Kachanov蠕变损伤定律与Lemaitre应变等价原理构造了一种带有应变触发的非线性黏壶元件,该元件能够较好描述盐岩加速蠕变阶段的非线性变形特征。基于组合模型理论推导了考虑硬化和损伤效应的盐岩一维、三维蠕变方程;通过分析已有盐岩单、三轴蠕变试验等时应力-应变曲线特征,确定了村山体启动应力阈值;结合等时应力-应变曲线和蠕变试验数据对模型中的参数进行了辨识。结果表明:建立的蠕变本构模型仅用一组参数即能描述不同应力状态下盐岩的蠕变力学特性,可为预测盐岩蠕变变形特征提供一定的理论依据。

川西康定—新都桥段菠茨沟组板岩蠕变特性及损伤模型

岩石的蠕变特性与岩体的长期稳定性有着密切联系。随着我国西部地区各深埋隧道的开挖,为保证工程安全性及地下建筑的长期稳定,迫切需要开展复杂应力状态下岩石蠕变特性的研究。传统的蠕变本构模型难以对岩石加速蠕变阶段进行准确的描述,且现有蠕变模型难以对菠茨沟组板岩的蠕变特性进行有针对性的拟合。因此,选取川西康定—新都桥段菠茨沟组板岩为研究对象,在查明地质环境背景和岩石矿物成分基础上开展了卸荷蠕变试验,分析了菠茨沟组板岩在卸荷条件下的变形特征,揭示了板岩蠕变特性及卸荷过程中的损伤演化规律;考虑卸荷蠕变过程中的损伤累积效应,引入损伤变量,对传统西原模型中牛顿体元件进行改进,建立能描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型。研究表明:卸荷条件下,板岩变形以瞬时弹性应变为主,随偏应力水平增加蠕变现象显著增强;板岩的长期强度有20.2%~27.1%折减;采用1-stOpt对非线性蠕变损伤模型进行参数辨识,拟合理论曲线与试验值吻合度较高,相关系数达到0.945;损伤变量引入后,改进的非线性蠕变损伤模型可以较合理地描述研究区板岩卸荷蠕变特性。该研究可为相关工况下围岩稳定性分析提供理论依据。

饱和岩石循环冻融蠕变力学特性及损伤分析

为研究饱和岩石循环冻融条件下的蠕变力学特性,开展了不同饱和冻融次数三轴蠕变力学试验。根据试样变形特征建立了弹黏塑性蠕变模型,计算了蠕变模型相关参数,研究了饱和循环冻融相关参数变化特征。分析了随冻融次数增加裂隙扩展发育规律,提出了循环冻融蠕变损伤模型,基于试验数据对损伤模型进行了验证。研究表明:饱和循环冻融蠕变过程分为过渡蠕变阶段,稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段3个阶段,冻融次数增加蠕变各个阶段均呈缩短趋势。建立弹黏塑性蠕变模型基础上,总结相关蠕变参数随加载应力增加均呈现增大趋势,随冻融次数增加,相同应力条件下蠕变参数逐渐减小。冻融过程中裂隙发育主要分为两种:沿原有裂隙扩展和独立发育的裂隙。原有裂隙扩展速度大于独立发育裂隙产生速度。试样循环冻融过程中裂隙发育速度逐渐增大。考虑冻融次数对蠕变参数的影响,同时引入损伤系数对其影响结果修正,建立蠕变损伤模型解释了循环冻融蠕变损伤过程,模型理论曲线与试验数据对比显示具有较好的相关性,验证了蠕变损伤模型的正确性。

基于降阶模型的汽轮机应力及损伤评估方法

针对火电灵活性运行背景下汽轮机热应力控制难题,创新性地采用降阶模型算法,结合有限元方法,高效模拟启动过程中汽缸的温度场、应力场和寿命损伤分布。该算法大幅降低了计算自由度,实现了在线应力评估,较传统方法计算效率提升约300倍,精度满足工程应用。通过Lemaitre损伤模型评估了汽缸疲劳-蠕变损伤,实时寿命损耗评估可为优化运行策略、提升机组灵活性与安全性提供科学依据。研究成果验证了降阶模型在复杂热力系统瞬态分析中的有效性,为汽轮机高温部件在线监测提供了新方法和思路。

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.

闪长玢岩蠕变试验及黏弹-塑性损伤模型研究

为探究闪长玢岩蠕变特性,开展了分级加载和循环加卸载三轴蠕变试验,研究了闪长玢岩的变形及长期强度特征,并基于试验结果,建立了能够描述闪长玢岩黏弹-塑性变形的损伤蠕变模型。研究结果表明:随着偏应力水平的增加,轴向变形和侧向变形逐渐增加,体积变形先增加后减小;轴向应变率先降低后基本保持不变,试样破坏时又迅速增加。在同一偏应力水平下,瞬时弹性应变大于瞬时塑性应变,而黏塑性应变大于黏弹性应变。通过稳态速率与应力比关系曲线法,可以得到更加准确、具体的岩石长期强度。基于黏弹性应变曲线特征,建立了考虑黏滞系数随时间和应力衰减的Kelvin模型;将Abel黏壶与塑性滑块元件并联,并引入损伤变量,建立了黏塑性损伤模型,将两者串联得到了闪长玢岩损伤蠕变模型。将试验曲线与模型曲线进行对比拟合,拟合程度较高,验证了模型的合理性。

考虑含水率与干湿冻融影响的膨胀土蠕变损伤模型二次开发及工程应用

【目的】为了反映北疆供水一期工程膨胀土渠坡的浅层蠕变破坏特征,揭示明渠水位周期性变化和干湿-冻融循环作用对浅层膨胀土渠坡蠕变力学行为的影响规律,【方法】根据已有相关蠕变试验数据,考虑含水率与干湿-冻融循环作用两个因素对膨胀土蠕变特性的影响,加入非线性元件的同时引入时效损伤函数反映膨胀土非线性蠕变变化规律,从而建立考虑含水率和干湿-冻融循环作用的膨胀土蠕变损伤本构模型。基于FLAC^(3D)软件计算平台,使用C++语言实现该模型的二次开发,利用该模型对相关室内蠕变试验和北疆供水一期工程膨胀土渠坡的蠕变过程进行数值模拟计算,验证该模型二次开发的正确性与适用性。【结果】结果显示:膨胀土蠕变损伤模型能够有效地反映渠坡浅层蠕变变形,渠底、渠坡中部和顶部位移量分别为13.21 cm、10.8 cm和4.8 cm,与实际监测数据契合度分别为94.6%、96.4%和91.6%,良好地反映了膨胀土渠坡停水期中浅层蠕变特性。【结论】结果表明:该模型能很好地描述浅层土体含水率与干湿-冻融循环作用次数对其蠕变特性的影响,且相较于传统Burgers模型,该模型能很好地描述土体的加速蠕变阶段。研究成果能够为北疆供水一期工程膨胀土流变变形计算分析提供可靠依据。

T91钢高温蠕变实验和耦合损伤模型研究

开展了T91钢在不同高温及不同应力水平下的蠕变实验,探讨其在高温下的蠕变力学性能和失效寿命,进而拟合得到耦合损伤的蠕变本构模型。基于微观力学,在蠕变本构方程中引入均匀化损伤理论,得到耦合损伤的蠕变本构方程。通过对实验数据的拟合,确定本构模型的材料参数,进而对T91钢在不同温度和不同应力水平下的蠕变行为进行预测。之后,与不考虑损伤的蠕变本构模型预测结果进行对比。结果表明,耦合损伤蠕变模型能较为合理地预测T91的高温蠕变行为。

高应力状态下岩石蠕变本构模型的研究

为探究高应力状态下岩石蠕变损伤本构的问题,开展不同应力水平蠕变试验。通过理论分析提出了一种新的损伤表达式,利用其修正了蠕变参数,建立了一种考虑损伤全过程的蠕变本构模型,并结合试验结果分析了模型参数规律。结果表明:高应力状态下,随着应力的增大,岩石在单调加载过程中引起的初始损伤分别为0.21、0.31和0.4,对应蠕变寿命,其随着蠕变应力水平的增大而减小;新模型能够较好地反映蠕变应变三阶段特征,尤其是在稳态段应变的增长趋势与试验结果更为一致,相关性系数均≥0.98;蠕变段弹性模量与黏弹性系数均随着应力比的增大呈现先快后慢的非线性减小趋势。

酸蚀作用下红砂岩的非线性蠕变损伤本构模型研究

为探究红砂岩在酸蚀作用下的蠕变特性,根据损伤力学理论,将红砂岩中氧化钙在单位时间内的损失量作为化学损伤的依据;通过化学动力学中的表观反应速率理论,考虑浸泡红砂岩的化学溶液初始pH值和浸泡时间,推导出氧化钙损失量随时间变化的表达式,从而实现化学损伤因子的定量化。针对红砂岩在蠕变过程中的应力损伤,提出了应力损伤演化方程及加速蠕变时间阈值。在传统蠕变本构模型的基础上串并联基本元件,并将化学损伤因子与应力损伤因子引入蠕变本构模型中,建立了酸蚀作用下红砂岩的非线性蠕变损伤本构模型。最后,通过分析酸性溶液浸泡后红砂岩的三轴压缩蠕变试验数据,对所建模型进行参数辨识及验证,结果表明,本文所提出的蠕变模型能较好地描述红砂岩在酸蚀作用下的蠕变特性,具有一定的合理性与可靠性。