The creep experiment and theoretical model analysis of gas- containing coal

A creep experiment of preformed molding coal under different confining pressures were carried out using self-developed 3-triaxial creep loading device for gas-containing coal, which loaded by Shimadzu AGI-250 kN electrical servo-controlled stiffness testing machine. Based on the experimental results, the variation trend of axial deformation under different stress states was studied, and creep failure characteristics of gas-containing coal under different confining pressures were analyzed. The experimental results were identified with seven-component nonlinear viscoelasto-plastic creep model （Hohai model）, and the creep material parameters were obtained. The experimental result complies well with the theoretical value of this model. It indicates that creep constitutive relation of gas-containing coal can be expressed by nonlinear viscoelasto-plastic creep model correctly.

改进的非定常Maxwell岩石蠕变模型及参数识别

针对传统蠕变模型难以反映岩石加速蠕变阶段特征的问题,为了全面提升岩石蠕变3个阶段的准确描述,在传统Maxwell模型的基础上,充分考虑原有黏壶元件蠕变参数的非定常化的同时,串联一个非线性黏塑性元件,提出了一种改进的非定常Maxwell蠕变模型,并推导出相应蠕变本构方程。同时运用origin软件引入不同蠕变数据进行拟合,研究结果表明,该蠕变本构模型能够对岩石蠕变试验曲线进行较好拟合及参数辨识,能够较好模拟不同应力水平下岩石蠕变变形特征,准确反应岩石蠕变全过程的非线性蠕变特征,表明新建立的蠕变本构模型具有较强的适用性与正确性。为今后的岩土工程提供了一种新的蠕变本构模型。

裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型及参数分析

裂隙花岗岩的蠕变特性对高放废物地质处置库的长期稳定性和安全性至关重要。本文基于裂隙花岗岩在不同应力条件下的蠕变试验结果,结合蠕变过程中应力产生的损伤累积的影响,提出一种考虑损伤的弹黏塑性体。通过将经典Burgers模型的黏性元件替换为分数阶黏弹性元件,将黏弹性体替换为考虑损伤的弹黏塑性体的方法,构建了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型,并推导出模型在3维应力状态下的本构方程。通过对倾角30°及45°单裂隙花岗岩在不同应力条件下蠕变试验数据的拟合分析,确定了模型参数,验证了模型的适用性和合理性,获得了各模型参数随应力水平的变化规律。通过模型参数的敏感性分析,揭示了分数阶导数、损伤参数,以及应力水平对裂隙花岗岩蠕变应变的影响规律,并验证了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型在特殊条件下可退化为经典Burgers模型。研究表明,本文提出的裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型能够准确地描述裂隙花岗岩蠕变破坏全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段应变随时间非线性增长的过程。

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。

砂岩单轴压缩黏弹塑性分数阶蠕变模型研究

为建立参数少、计算简便、蠕变过程描述准确的蠕变模型,基于岩石力学及分数阶理论,引入分数阶软体元件,将其与弹性、塑性、黏性元件相结合,得到了创新的黏弹塑性蠕变模型,推导蠕变模型的本构方程,并对砂岩单轴压缩蠕变试验数据进行参数辨识、曲线拟合和对比分析,进而对蠕变模型进行验证。结果表明:引入的分数阶软体元件应变随时间呈幂函数趋势增长,可表征非线性蠕变阶段,详细地分析了弹性元件、塑性元件、黏性元件及分数阶软体元件在蠕变过程中不同阶段发挥的作用;推导得到模型在ε·(t→∞)=0(σ<σ_(s))、ε·(t→∞)>0(σ<σ_(s))、ε·(t→∞)>0(σ≥σ_(s))情况下的本构方程,以及计算简便的参数辨识方法,试验数据拟合曲线的拟合度均在0.9以上,验证了蠕变模型的合理性和科学性;所建立的六参数黏弹塑性分数阶模型能全面地描述蠕变的整个过程,并且与其他模型对比模型参数更少、计算量更小。

滇中红层泥岩剪切蠕变特性及其本构模型

为保障滇中红层泥岩所在区域隧洞工程的施工及长期运营安全,本文以“滇中引水工程”狮子山隧洞段的红层泥岩为研究对象,首先,采用分级加载剪切蠕变试验方法,研究其蠕变特性;其次,基于非线性流变力学理论,分别构建了触发式非定常加速元件、非线性弹性元件及复合型黏性元件;第三,通过各元件的合理组合,建立了滇中红层泥岩的非线性、非定常蠕变模型;最后,对所建模型进行参数估计,与试验结果进行对比,验证理论模型的适用性。研究结果表明:在较低应力状态下,岩样主要表现为衰减蠕变,其中蠕变变形在总变形中的占比可达85%;而在较高应力状态下,岩样发生从衰减蠕变、等速蠕变直至加速蠕变破坏的全过程蠕变,其中蠕变变形在总变形中的占比达87%。剪应力对岩样蠕变变形具有显著影响,剪应力越高,衰减蠕变达到稳定状态所需的时间越长,蠕变变形在总变形中的占比越高。在全过程蠕变中,岩样的蠕变变形以稳态蠕变为主,其蠕变时间占总蠕变时间的80%,蠕变量占总蠕变量的51%。该蠕变模型既能完整地描述岩样从衰减到等速直至加速蠕变的全过程,同时又能克服传统模型参数取值随应力而不断变化的问题,通过一组参数就可以描述岩样在各应力状态下的蠕变变形特性。理论模型得到的结果与试验结果吻合较好,说明所建模型对于滇中红层泥岩具有较好的适用性。

压电致动器非线性特征的控制策略研究进展

压电致动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、驱动负载能力强、可多自由度输出以及不受电磁干扰等优点,被广泛应用在微纳加工、微机电系统封装、生物医学以及航空航天等领域。然而,由于压电致动器自身存在的迟滞、蠕变等非线性特征,使得输出的稳定性以及精确度受到一定的影响,需采取恰当的控制策略解决上述问题。本文首先对压电致动器的非线性特征进行概述;其次,重点回顾了迟滞模型和蠕变模型的发展历程;然后,介绍了压电致动器的控制补偿策略及研究进展;最后对压电致动器控制技术的未来发展方向进行了讨论与展望。

Q_(3)重塑黄土三维非线性流变本构模型试验研究

随着西部黄土地区经济和工程建设的快速发展,与时间相关的黄土变形、强度及稳定性等工程实际问题也日益增多,在解决黄土地区的工程问题时,需要考虑时间效应或流变性。通过三轴循环加卸载流变试验,得到了Q_(3)重塑黄土不同围压下的加卸载蠕变曲线,基于统一流变力学模型理论,辨识出适合于Q_(3)重塑黄土减速蠕变阶段的三维流变本构模型即改进西原模型。为了描述加速蠕变阶段,将黏塑性体中的黏性参数写成时间的函数,建立了非线性改进西原模型,推导出相应的蠕变本构方程,获得了其模型参数。将模型参数代入相应的本构方程中,绘制非线性改进西元模型不同阶段的蠕变曲线与蠕变试验曲线的对比图,进行对比后发现吻合较好,说明该模型能很好地反映Q_(3)重塑黄土的蠕变性质。

非饱和泥质粉砂岩蠕变特性及其模型

以南宁第三系泥质粉砂软岩为研究对象,开展非饱和三轴压缩蠕变试验,分析含水率对岩石蠕变特性的影响;再在既有五元件蠕变模型中,引入非线性黏塑性元件,构建泥质粉砂岩的七元件非饱和压缩蠕变模型,分析相关蠕变参数的变化规律。结果表明,随着含水率增加,泥质粉砂岩的蠕变变形和蠕变速率显著增加,且蠕变长期强度明显降低,表明水对泥质粉砂岩蠕变变形影响显著;新建七元件模型较好地拟合了非饱和泥质粉砂岩全过程蠕变曲线。

滨海软土蠕变特性及蠕变模型

如何合理地描述滨海软土的蠕变规律对软土地基工程是十分重要。三轴蠕变试验研究表明,滨海相沉积的软土具有非线性蠕变的特性,双曲线型更适合其应力-应变关系。修改了Singh-Mitchell模型的应力-应变关系,建议了滨海软土的应力-应变-时间关系。所提出的蠕变模型具有参数少、适用性较强的特点。

盐岩的分数阶非线性蠕变本构模型

在非牛顿流体黏滞阻尼元件的基础上提出了分数阶非线性黏壶元件。基于分数阶导数的定义,得到了该元件的理论表达式,其表达式与Abel黏壶的表达式相一致,进一步比较发现该元件能反映蠕变曲线的非线性加速特征。通过引入该元件建立了新的非线性蠕变本构模型。基于蠕变试验数据,对该模型进行了拟合分析。结果表明,非线性蠕变本构模型与试验数据吻合的较好,并且能很好地反映全过程蠕变曲线的特征,尤其是非线性加速蠕变阶段。

饱和砂性土非线性蠕变模型试验研究

采用单向压缩试验研究了常州不同含水层饱和砂性土的蠕变特性。试验结果表明,饱和砂性土的变形既与应力有关,也与时间有关。在一定应力作用下,其变形随时间的增加而增加,经过一段时间后才能达到稳定,应变与应力、时间都呈非线性关系。对试验结果的统计分析表明:用幂函数可以很好地拟合饱和砂性土的应力-应变-时间关系。这一结论有助于更深入地研究长期抽水作用下的地面沉降问题。

基于西原模型的变参数蠕变方程

岩石材料的蠕变具有明显的非线性特征,在蠕变模型中考虑蠕变参数随应力、时间等因素而变化是解决非线性蠕变问题的方法之一。试验已经证实,应力、时间及渗流等外部条件会引起岩石某些力学参数的改变,因此,将蠕变参数视为变量符合岩石材料的本质属性。以西原蠕变模型为基础,研究了各蠕变参数与应力及时间的关系。根据试验结果,通过非线性最小二乘法从蠕变试验数据中求出不同应力作用下不同时刻的各个蠕变参数,再根据参数随应力、时间的分布规律经非线性拟合得到各蠕变参数与应力及时间的表达式,进而可得到变参数的蠕变方程。蠕变参数的变化是岩石非线性特征的充分体现,从损伤力学的角度来讲,蠕变参数的变化反映了岩石内部损伤不断加剧、累积,材料特性不断劣化的演变过程。

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。

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。

绿片岩蠕变损伤本构关系研究

通过对绿片岩三轴蠕变试验数据的研究,分析绿片岩蠕变过程中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的各自特征,表明在蠕变加速阶段绿片岩的损伤在急剧增加。对于广义Bingham蠕变模型,在衰减和稳态蠕变阶段引入一非线性函数,在加速蠕变阶段引入损伤,建立绿片岩的蠕变损伤本构关系。通过岩石全自动流变伺服仪上得到的绿片岩流变数据来对新的蠕变损伤模型参数进行辩识,得到蠕变损伤模型的材料参数。蠕变损伤模型和试验结果相比较,发现该模型能够很好地描述蠕变曲线中初始的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,从而证明该模型的正确性和合理性。

软土工程中的非线性流变分析

根据岩土材料的室内蠕变试验结果，提出了一种理论模型和用于数值分析的计算公式，并对上海地铁一深基坑开挖工程进行有限元分析。

高围压高孔隙水压作用下岩石蠕变特性

对重庆某地深部砂岩进行高围压和高孔隙水压作用下分级加载蠕变试验。结果表明:加载初期的一较短时间内,孔隙水压力在一定程度上延缓轴向变形,随后整个加载过程表现为增强岩石轴向变形。相同围压下,有孔隙水压和无孔隙水压时岩石蠕变可能存在一个相同的应力强度比阀值,当应力强度比超过该阀值后便会出现加速蠕变破坏。选取三元件广义Kelvin模型描述高围压高孔隙水压作用下加载应力低于屈服应力σs时的岩石蠕变特性,效果较为理想。基于高围压高孔隙水压作用下砂岩加速蠕变试验曲线特性,采用拟合、类比的方法引入一个二元件黏塑性模型,将其与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的可以描述岩石加速蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。采用基于Quasi-Newton非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对高围压高孔隙水作用下岩石加速蠕变全过程曲线进行辨识,对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,验证非线性黏弹塑性模型的正确性。

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变本构模型研究

依据粉砂质泥岩三轴压缩蠕变试验结果,分析了岩石的蠕变力学特性。选取线性黏弹性Burgers模型来描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变特性。引入非线性黏塑性元件,将其与Burgers模型串联起来,建立一个新的六元件非线性黏弹塑性Burgers蠕变本构模型。采用非线性Burgers模型来描述岩石的加速蠕变特性。应用Levenberg-Marquardt算法对蠕变试验曲线进行辨识,得出各级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,表明线性Burgers模型与非线性Burgers模型可以准确描述岩石3个蠕变阶段的力学特性。模型参数辨识结果表明,在同一级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数各自独立并不统一,模型参数取值时应考虑岩石蠕变的各向异性以及轴向与径向蠕变量、蠕变速率大小的差异。在前7级应力水平下,模型参数应取以轴向应变辨识得到的Burgers模型参数;在第8级应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的Burgers模型参数;在破裂应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的非线性Burgers模型参数。

工程岩体非线性蠕变损伤力学模型及其应用

针对元件组合流变模型多半反映的是蠕变线性关系或发生加速蠕变时间过快的不足,根据工程现场压缩蠕变试验成果,提出工程岩体流变效应的损伤因子,建立非线性损伤黏弹塑性本构模型,通过ABAQUS编制程序并采用压缩蠕变试验的数值模拟,验证蠕变模型和编制程序的正确性。最后,将此非线性蠕变损伤模型应用于大岗山水电站地下厂房的施工开挖全过程的数值仿真,并对考虑损伤和未考虑损伤2种工况的计算结果进行对比分析,结果表明,考虑岩体损伤工况下的围岩体塑性屈服范围和程度、洞壁位移值趋势能更客观地反映工程岩体的变形和破坏特征。