周期荷载下岩石分数阶黏弹塑性本构模型研究

为研究周期荷载下岩石疲劳变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换西原模型黏塑性体中的一般黏壶,并在西原模型中串联一个黏性元件,分别建立了可描述周期荷载下岩石变形规律的一维和三维分数阶黏弹塑性本构模型。在高动应力状态下,模型为反映岩石减速、等速、加速3个变形阶段变形规律的岩石分数阶黏弹塑性疲劳本构模型;反之,则为反映岩石减速、加速变形规律的Burgers模型。对既有的岩石疲劳试验结果拟合表明:基于分数阶黏弹塑性模型所建立的岩石疲劳本构方程可较好地描述周期荷载下岩石各种变形特征,拟合系数在0.96以上。研究成果可丰富岩石力学理论,为相关研究提供参考。     

真实水环境下红层软岩蠕变模型辨识 与参数确定

采用轴压水压联合作用岩石流变试验系统进行了滇中地区红层软岩室内压缩蠕变试验。研究结果表明:真实水环境下红层软岩在破裂应力水平之前具有黏弹性特征,在破裂应力水平下表现出非线性黏弹塑性特征;Ｂｕｒｇｅｒｓ模型和非线性黏弹塑性模型可以准确地描述软岩在真实水环境下三个蠕变阶段的力学特性,模型拟合效果较好;蠕变参数随加载应力不断变化反映出岩石内部损伤不断加剧、累积,力学性能不断劣化的演变过程。     

低动应力下岩石分数阶Burgers本构模型

动荷载下岩石变形特性是岩土工程界的常见问题之一。为研究岩石低动应力下变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换Burgers模型中Maxwell常值黏壶,建立了可反映低动应力荷载作用下岩石变形规律的分数阶Burgers模型(Fractional-order Burgers Model,FBM)。将动荷载分解为一个静力荷载和一个平均应力值为0的循环荷载,基于流变力学理论给出了静力作用下基于分数阶Burgers模型的岩石流变本构方程,再根据黏弹性力学理论,考虑岩石损伤、裂隙及塑性变形对动荷载下岩石储能柔量和耗能柔量造成的影响,引入储能和耗能柔量变化量,构建了循环荷载下基于分数阶Burgers模型的岩石动态响应本构方程式,最后将已获得的岩石流变本构方程式与动态响应本构方程式叠加,即得到一种新的岩石本构方程。与已有的试验结果相比,改进Burgers模型可较好地描述低动应力状态下岩石减速、等速2个阶段的变形特征,且模型参数可运用数值方法简便得到。     

基于循环荷载下西原岩石疲劳模型的改进研究

为研究岩石疲劳变形规律,通过将西原模型黏塑性体中线性元件替换为含疲劳参数n的非线性黏性元件,建立了循环荷载下改进的西原疲劳模型。当岩石循环荷载应力上限值小于岩石门槛应力值时,模型为描述岩石减速、等速两个疲劳变形阶段的广义Kelvin疲劳模型;当岩石循环荷载应力上限值大于岩石门槛应力值且模型参数n≠1时,模型为反映岩石的减速、等速及加速3个疲劳过程的改进西原疲劳模型;当模型疲劳参数n=1时,模型退化为西原疲劳模型。结果表明:与既有岩石疲劳试验结果相比,改进的西原疲劳模型能更好描述循环荷载下软硬岩石的等速、减速、加速三个疲劳变形阶段,且模型疲劳参数n随岩石的单轴抗压强度增大而增大,较高的循环荷载上限应力比会造成模型疲劳参数值n的反常,其他参数变化规律也较为明显。     

交通荷载路径下超固结软黏土变形特性研究

长期交通荷载作用下软基道路往往产生过大沉降,超载预压地基处理是目前控制沉降的有效方法。经超载预压处理后,路基软土表现出明显的超固结特性。利用GDS空心圆柱扭剪系统模拟交通荷载应力路径,对不同超固结比软黏土进行不排水循环加载试验,研究超固结比对软黏土应变发展规律、应力-应变滞回曲线发展规律、回弹模量发展规律的影响。试验结果表明:超固结作用可以限制循环荷载作用下软黏土累积应变的发展;当荷载一定时,土体的超固结比越大,循环荷载作用下的累积应变值就越小,孔压和累积应变达到稳定所需要的循环次数就越少;当荷载一定时,超固结比越大,应力-应变滞回曲线随循环次数的变化越不明显;土体的回弹模量越大,弹性特征越明显。     

三场耦合作用下黏土岩损伤变形特性及本构模型

深部地下围岩常常处于温度场、渗流场、应力场等多场耦合作用,研究黏土岩在温度-渗流-应力场耦合作用下的变形损伤演化过程尤为重要。从试验和理论模型2个方面对黏土岩开展了温度-渗流-应力三场耦合特性研究,结果表明:高温会造成黏土岩内部结构发生质的劣化,黏土岩的温度越高,其峰值强度越小,而应变变形量越大;渗透系数随变形总体呈先减后增的趋势,并在峰后阶段略有降低,分别与体变压缩硬化、剪胀损伤、软化剪胀3阶段相对应,体积变形的转折拐点即为渗透率加速增大的临界点;黏土岩的渗透率随温度升高呈先减小后增大的趋势,当温度＜50 ℃时,渗透率随温度升高而减小,当温度＞50 ℃后,随温度升高而增大;温度越高,黏土岩的“实损伤”发展越快。基于试验结果,建立了温度-渗流-应力三场耦合作用下的损伤本构模型,该模型能较好地模拟黏土岩三场耦合作用下的损伤变形演化过程。     

基于强度应力比的滇中红层软岩挤压变形研究

软岩挤压变形是深埋或高应力隧洞工程建设过程中的一大难题.由于不同类型的软岩特性千差万别,隧洞在不同条件下开挖后所表现出的挤压变形程度各异.根据滇中红层软岩的流变特性及现有软岩挤压变形程度分级方法,提出了滇中红层软岩挤压变形程度分级标准.根据滇中引水工程一隧洞区地应力测试统计结果,确定了隧洞区的最大水平主应力侧压系数及最...     

温度-孔隙水压耦合作用下砂岩卸荷损伤本构模型研究

为探讨多场耦合作用下砂岩的力学特性变化规律,以三峡库区典型砂岩为研究对象,利用TOP INDUSTRIE三轴流变仪开展了不同温度、不同孔隙水压作用下的砂岩卸荷力学特性试验研究。基于温度-孔隙水压耦合作用下的砂岩应力—应变曲线,根据Weibull统计分布理论及广义胡克定律,选取弹性能占比系数,推导基于最小能耗原理的温度-孔隙水压作用下砂岩卸荷损伤本构模型研究。对比分析发现,模型与试验符合度较好,能够反映出温度-孔隙水耦合作用对砂岩的损伤影响; Weibull分布参数F会随着温度升高而下降,而随着水压增大,Weibull分布参数m增大F减小,说明砂岩试样在此耦合作用下的强度减小。     

非均匀介质在动荷载作用下的裂缝扩展研究

运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamic,通过对模型预置一组裂纹,研究裂纹倾角、岩桥倾角及双向荷载对裂纹扩展方式的影响。结果表明:1单向动荷载作用下,裂纹倾角和岩桥倾角对裂纹扩展方式几乎没有影响,裂纹大致沿与荷载垂直的方向扩展;2单向动荷载作用下,声发射释放累积能量的过程大致分为4个阶段;3双向动荷载作用下,随着荷载比率的减小,裂纹的弯曲弧度增大,逐渐与水平荷载垂直;4双向动荷载作用下,岩桥倾角一定时,随着裂纹倾角的增大,裂纹扩展偏向竖直方向;5单向静荷载作用下,裂纹倾角和岩桥倾角对裂纹扩展方式有显著影响,而单向动荷载作用下,其对裂纹扩展方式却几乎无影响。     

循环荷载作用下粉细砂累积变形的等效黏塑性本构模型

提出了适用于长期循环荷载作用下粉细砂累积变形计算的等效黏塑性本构模型及数值模拟方法。该模型基于经典弹塑性理论框架及结构安定理论,考虑了砂土材料的双屈服面及剪胀性特征,引入塑性应变随加载次数的增量表达式,预测粉细砂土材料累积不均匀变形。通过粉细砂的动静三轴试验确定模型参数,并研究了砂土累积变形规律。数值模拟结果表明,该模型对于粉细砂长期循环累积塑性变形具有良好的模拟能力,而且计算步长可任选取,适用于长期循环加载的计算。     

改进的广义Bingham岩石蠕变模型

基于岩石全自动流变伺服仪上得到的绿片岩三轴流变试验数据,分析蠕变曲线的特征,构造出能够表现岩石衰减蠕变和加速蠕变阶段特征的非线性函数,引入到广义Bingham的蠕变本构方程中,得到一个新的非线性蠕变模型,该模型的材料参数较少。通过绿片岩流变数据对新的非线性蠕变模型的参数进行辩识,得到了蠕变模型的材料参数。对蠕变模型计算结果和试验结果的比较表明,该模型能够很好的描述蠕变曲线中的初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,证明了该模型的正确性和合理性。     

循环荷载下软黏土的各向异性边界面模型

在各向同性边界面理论框架中,通过引入各向异性张量,提出了适用于描述循环荷载作用下软黏土各向异性的边界面本构模型。本模型通过初始固结应力状态确定各向异性张量的初始值,并通过各向异性张量的旋转硬化准则反映循环荷载作用下各向异性的演化。同时,在映射准则中,将映射中心由固定改为可移动,以反映循环荷载作用下土体的滞回特性。从而将一般边界面模型扩展,使其可描述复杂应力状态下饱和软黏土的动力特性。通过与上海软黏土的室内循环三轴试验结果以及文献中相关试验结果的比较,验证了所提出的本构模型的合理性。     

冲击荷载下饱和软黏土的孔压和变形特性

利用室内动力固结试验装置，对淤泥质饱和软黏土施加冲击荷载，分析在不同围压下施加不同的冲击能量时试样所受的冲击应力、孔隙水压力和轴向变形，发现锤重和落距的组合是影响冲击应力的主要因素。试验表明，轴向变形与冲击次数之间呈对数一双曲线关系，孔隙水压力与冲击次数之间呈单纯的双曲线关系。将室内试验结果同现场测试资料对比表明，模型能较好地模拟现场强夯法处理饱和软土地基。     

基于工程混合物理论的饱和裂隙岩体组合本构模型

为了从理论和数值上分析饱和岩体工程的变形和稳定,需要创建饱和裂隙岩体本构模型。根据工程混合物理论,把饱和多孔介质应变分解为骨架应变、固相基质应变和流体基质应变。通过均匀化响应原理建立了饱和多孔介质的势函数本构理论,提出Terzaghi有效应力决定骨架应变、固相基质应力决定固相基质应变和裂隙孔压决定流相基质体应变等本构规律。根据经典岩体力学理论,把饱和裂隙岩体视为由裂隙构成孔隙的饱和多孔介质,建立了饱和裂隙岩体的组合本构模型。算例分析表明:根据本文理论建立的饱和裂隙岩体组合模型能够合理考虑裂隙流体的浮托力,具有较小的孔压系数和各向异性的受力特性。饱和裂隙岩体组合模型可用于海底隧道裂隙围岩在开挖过程中的流固耦合工程特性分析。     

河床式水电站厂房地震响应软弱基岩弹模敏感性分析

针对水工抗震设计规范的修订情况,以某软弱基岩河床式水电站厂房为例,对中间标准机组段建立基础—厂房整体有限元模型,研究设计反应谱特征周期和下降段衰减系数变动对厂房结构地震动响应的影响,然后依据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047—2015)定量分析软弱基岩弹模变化对河床式水电站厂房自振特性及静动力响应的影响规律。结果表明:由于反应谱特征周期与衰减系数的调整,该厂房依照《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047—2015)所得响应较《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—2000)更为剧烈,第一主应力与总位移可分别提高36.3%和29.8%,增强程度不可忽视。基岩弹模低于5.0 GPa时,厂房对基岩弹模的变化十分敏感,较小的改变也会显著影响厂房在静动力荷载环境下的应力、位移和变形等响应;基岩弹模高于5.0 GPa时,厂房对其变化不再敏感。可见,必须重视软弱基岩弹性模量参数改变的情况,这种改变将对其上建筑物的静动力计算结果产生不可忽视的影响。     

轴向循环加载卸载条件下饱和软土变形特性试验研究

研究循环加卸载条件下软黏土的强度和变形特性具有一定的工程实践价值。利用自行改进和研制的连续加载一维K_0固结仪对饱和软土进行轴向循环加卸载试验。结果表明:各级卸载应力-应变曲线是双曲线,再加载曲线应力-应变关系在上级卸载载荷之前为双曲线,超过卸载载荷为直线,呈现不断硬化的现象,试样产生塑性变形和弹性变形,且塑性变形和弹性变形分别与卸载等级呈线性关系;以原有双曲线本构关系为基础,利用各级加载轴向最大应力和初始切线模量,卸载曲线的轴向最大应变和初始割线模量,引入新的模型参数,从而建立轴向循环加卸载的本构方程,并验证了其可靠性。对各级塑性滞回能进行了计算,随着卸载应力水平的增大,塑性滞回能不断增大,且通过拟合加卸载过程中消耗的塑性滞回能与卸载应力水平呈良好的二次曲线关系。     

软弱岩体蠕变模型辨识与参数反演

压缩蠕变试验是了解岩体蠕变力学特性的重要手段。通过对大岗山水电站坝区软弱岩体现场压缩蠕变试验资料的分析,揭示坝区软弱岩体具有瞬时弹性变形、减速蠕变和弹性后效特性。通过对各种流变组合模型的辨识,确定采用广义开尔文模型来反映坝区软弱岩体的压缩蠕变特性。根据辨识的蠕变模型推导出了刚性承压板边缘岩体表面的压缩蠕变变形计算公式,据此采用优化反演法获得了坝区软弱岩体的瞬时弹性模量、黏弹性模量和黏滞系数等蠕变参数,从而为坝区边坡加固设计和稳定性分析提供了重要的岩体流变参数资料。     

非贯通裂隙软岩单轴压缩强度特征及贯通机制研究

为了解非贯通裂隙软岩单轴压缩强度特征及其贯通机制,以非贯通裂隙软岩试样为研究对象,进行单轴压缩破坏试验,得到不同裂隙排数、倾角及贯通深度条件下非贯通裂隙软岩试样的强度特征,对破坏试样的裂纹和破坏面进行分析,得到非贯通裂隙软岩试样的裂纹类型和贯通机制。不同裂隙特征参数条件下的对比研究成果表明:不同裂隙排数及贯通深度的非贯通裂隙试样均以30°倾角试样强度为最低,这与贯通裂隙试样存在差异。分析不同裂隙排数及贯通深度的非贯通裂隙试样的强度参数,发现30°倾角试样的黏聚力最低,只有完整岩样黏聚力的43.53%;而倾角相同时,不同裂隙排数的试样强度均随裂隙贯通深度的增加而降低。受荷条件下裂隙间的多次贯通使得非贯通裂隙试样呈现出局部渐进破坏特征,扩展裂纹以次生裂纹为主,翼裂纹初期发育后逐渐停止扩展。裂隙排数对试样贯通机制起主导作用,单排裂隙基本以Ⅰ型张拉破坏为主(60°倾角试样除外),而双排裂隙则以Ⅱ型剪切破坏为主。研究成果对解决实际工程中遇到的破裂岩体强度计算问题和破坏机制问题具有参考价值。