岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了全面描述岩石蠕变的全过程,将非线性黏塑性模型与Burgers模型串联组成一个新的六元件非线性黏弹塑性蠕变模型。在黏塑性模型的蠕变量与时间呈幂函数关系的情况下,该蠕变模型可以很好地反映岩石的加速蠕变特性。利用已有文献对长山盐矿进行的单轴压缩蠕变试验结果,对所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型的六个蠕变参数进行识别,所得结果与试验结果拟合度在0.959以上,表明了本文所建立的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型的合理性与正确性。     

高应力高水压下砂岩三轴蠕变特性试验研究

对砂岩进行高围压高水压条件下的三轴压缩蠕变试验。试验表明,在整个加载过程中,孔隙水压力主要起到增强轴向变形和横向变形的作用;但在加载的初始阶段,孔隙水压力在一定程度上抑制了轴向变形。当应力水平高于屈服应力时,横向蠕变速率明显大于轴向蠕变速率,且横向蠕变率先进入加速蠕变阶段。本文提出一个新的非线性黏性元件,并引入一个能判断是否进入加速蠕变阶段的计时器元件,组建一个非线性黏塑性加速蠕变启动模型,将该黏塑性模型与Burgers模型串联,构建一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型在常规三轴应力状态下的本构方程。基于试验结果,通过对非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对本文提出蠕变模型的参数识别,识别效果比较理想。对比试验曲线与拟合曲线,二者相当吻合,验证了新提出的非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性。     

一种新的岩石非线性损伤蠕变模型

为描述岩石加速蠕变阶段的非线性变形规律,在广义开尔文体基础上串联一个村山体,基于Kachanov损伤率理论,建立了损伤变量D与蠕变时间的函数关系,并根据Lemaitre应变等效原理将村山体中的无损模型参数p用有效模型参数p(1-D)代替,以此来表征岩石加速蠕变阶段的非线性,建立了一种新的非线性损伤蠕变模型;根据广义塑性力学理论给出了该模型的三维蠕变方程;采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对红砂岩和绿片岩常规三轴压缩蠕变试验数据进行拟合,反演得到这两种岩石的蠕变模型参数。拟合结果表明:拟合曲线与试验曲线的拟合相关系数R2分别为0.999和0.992,说明该蠕变模型能较好地反映这两种岩石各阶段的蠕变曲线特征。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷，首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点，建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联，建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型，根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处，并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证，结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高，所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律，尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好，验证了模型的合理性．     

岩石三轴蠕变试验黏弹性解析及参数识别

基于岩石三轴蠕变试验,推导了相应的黏弹性解析解,并对三参量H-K流变模型给出 了黏弹性解析解的显式以及流变参数的识别方法. 在此基础上,针对花岗岩及片岩两种岩石 的室内蠕变分级加载试验曲线进行了流变参数的识别与反演. 分析表明,同一岩样在不同加 载级别下的弹性及黏弹性参数在量值上均有所不同,其中黏弹性模量和黏滞系数的量值随 载荷的增加出现损伤衰减,基于试验反演所获参数的解析蠕变曲线与试验蠕变曲线吻合较好.     

煤矿泥岩流变模型辨识及支护方法的确定

结合高家梁煤矿斜井泥岩的流变变形特征, 对泥岩进行分析建模, 设计有效的泥岩斜井支护措施. 通过对泥岩进行蠕变加卸载试验, 采用统一流变力学模型理论建立了能表现泥岩流变特性的弹性--黏性--黏弹性--黏弹塑性模型, 并确定了流变模型参数. 结合泥岩试验测得的泥岩力学特性和现场观测资料, 设计采用锚喷网联合支护方法, 并采用大型有限元软件ADINA进行数值模拟分析, 该支护方法能有效控制泥岩变形, 采用的锚喷网支护方法合理可靠.     

高地应力围岩流变特性及竖井长期稳定性分析

基于自行研制的重力加载流变仪,采用多级加载对4种典型矿岩开展了三点弯曲蠕变试验研究,获得了蠕变试验曲线. 将Burger's模型与Mohr-Coulomb准则相结合,形成改进的Burger's模型. 并通过最小二乘法对均质混合岩进行蠕变参数拟合,获得了与蠕变试验曲线相吻合的蠕变理论曲线. 结果表明改进的Burger's模型能较好地描述均质混合岩的蠕变特性. 在此基础上,采用该流变模型,对返修后的竖井工程进行三维流变数值模拟和稳定分析,为竖井工程的长期稳定预测和失稳风险预测提供了理论依据.      

考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型

为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征,基于水岩作用的化学动力学理论,定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子,将弹性体,非线性Kelvin体,线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联,并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况,建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型,通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证,并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程,探讨中间主应力对蠕变模型的影响.结果表明,推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性,验证了其合理性与准确性.     

改进宾汉姆流变模型及其参数辨识

传统宾汉姆流变模型不适于描述岩石蠕变的非线性衰减和加速阶段.本文提出一种非线性的改进模型,引入作用函数表征衰减蠕变阶段,引入非线性黏性元件与传统模型串联表征岩石的加速蠕变阶段.通过对绿片岩和砂岩蠕变实验数据进行非线性拟合得到模型参数,与实验曲线的对比分析表明了改进的效果及改进模型的合理性.     

改进的非定常Bingham岩石蠕变模型及参数辨识

传统Bingham模型适用于描述蠕变的前两个阶段,为了更加准确地描述岩体蠕变的三个阶段,本文提出了一种改进的非定常Bingham蠕变模型,并推导出其蠕变本构方程．该模型在传统Bingham模型的基础上串联一个非定常黏壶元件,并考虑岩体弹性模量及原有黏壶元件蠕变参数的非定常化．基于该模型对泥岩的蠕变试验曲线进行拟合及参数辨识,结果表明该模型具有较高的拟合精度,可以准确地描述泥岩蠕变的三个阶段,并实现了在数值软件中的应用,为实际工程提供了一种简单有效的蠕变本构模型．     

IMPROVED BINGHAM RHEOLOGICAL MODEL AND ITS PARAMETER IDENTIFICATION

传统宾汉姆流变模型不适于描述岩石蠕变的非线性衰减和加速阶段.本文提出一种非线性的改进模型,引入作用函数表征衰减蠕变阶段,引入非线性黏性元件与传统模型串联表征岩石的加速蠕变阶段.通过对绿片岩和砂岩蠕变实验数据进行非线性拟合得到模型参数,与实验曲线的对比分析表明了改进的效果及改进模型的合理性.     

海相沉积软土蠕变BP神经网络本构模型

海相沉积软土具有很强的蠕变特性,传统分级构建蠕变本构模型方法不实用,且很难真正反映岩土流变的非线性特性。为此,本文引入具有超强非线性映射和容错能力的BP神经网络模型,通过改进BP算法,根据江门软土的室内直剪蠕变试验结果,建立了海相沉积软土BP神经网络蠕变本构模型,避免了传统方法为满足试验曲线变化规律和蠕变特性而需要建立复杂的本构数学表达式。最后,利用上海地区软土蠕变实验结果对本文提出的方法进行了验证,并对BP神经网络蠕变模型在描述软土流变方面的特点进行了讨论。结果表明,本文建模方法简单,并能很好地描述软土的非线性蠕变问题。     

改进的西原模型及其在冻结壁上的应用

通过对现有流变模型的分析及结合室内冻黏土大量的单轴蠕变试验,试验结果表明可以忽略冻土的瞬时变形并采用简单的屈服函数对线性牛顿体进行简化,从而对西原模型进行了改进,并导出了改进后模型在三向应力条件下冻土的非线性蠕变方程．采用改进的西原模型推导了冻结壁应力场和位移场的理论计算公式,探讨了防止冻结管断裂的有效措施．计算和工程实例基本相符,可以应用于工程计算．     

An Approach to Constructing a Rheological Model of a Strain-Hardening Medium

The one-dimensional constitutive equations of strain-hardening materials subject to nonlinear creep are derived. The solution is found using the hypothesis of unified deformation curve based on the similarity of the tensile and isochronic creep curves. A generalized rheological model is constructed which accounts for the instantaneous strain rate, loading rate, and the mode of strain hardening. This model is used to derive one-dimensional constitutive equations for linear viscoelastic, nonlinear viscoelastic, and linear- and nonlinear-hardening viscoelastoplastic materials. It is shown that the creep of linear viscoelastic and linear-hardening viscoelastoplastic materials is transient. For nonlinear viscoelastic and nonlinear-hardening viscoelastoplastic materials, all the characteristic stages of creep are present     

Finite deformation of a polymer: experiments and modeling

The response of a polymer (polytetrafluoroethylene) to quasi-static and dynamic loading is determined and modeled. The polytetrafluoroethylene is extremely ductile and highly nonlinear in elastic as well as plastic behaviors including elastic unloading. Constitutive model developed earlier by Khan, Huang and Liang (KHL) is extended to include the responses of polymeric materials. The strain rate hardening, creep, and relaxation behaviors of polytetrafluoroethylene were determined through extensive experimental study. Based on the observation that both viscoelastic and viscoplastic deformation of polytetrafluoroethylene are time dependent and nonlinear, a phenomenalogical viscoelasto–plastic constitutive model is presented by a series connection of a viscoelastic deformation module (represented by three elements standard solid spring dashpot model), and a viscoplastic deformation module represented by KHL model. The KHL module is affected only when the stress exceeds the initial yield stress. The comparison between the predictions from the extended model and experimental data for uniaxial static and dynamic compression, creep and relaxation demonstrate that the proposed constitutive model is able to represent the observed time dependent mechanical behavior of polytetrafluoroethylene polytetrafluoroethylene qualitatively and quantitatively.     

Damage of ductile materials deforming under multiple plastic or viscoplastic mechanisms

This work presents a model to represent ductile failure (i.e. failure controlled by nucleation, growth and coalescence) of materials whose irreversible deformation is controlled by several plastic or viscoplastic deformation mechanisms. In addition work hardening may result from both isotropic and kinematic hardening. Damage is represented by a single variable representing void volume fraction. The model uses an additive decomposition of the plastic strain rate tensor. The model is developed based on the definition of damage dependant effective scalar stresses. The model is first developed within the generalized standard material framework and expressions for Helmholtz free energy, yield potential and dissipation potential are proposed. In absence of void nucleation, the evolution of the void volume fraction is governed by mass conservation and damage does not need to be represented by state variables. The model is extended to account for void nucleation. It is implemented in a finite element software to perform structural computations. The model is applied to three case studies: (i) failure by void growth and coalescence by internal necking (pipeline steel) where plastic flow is either governed by the Gurson–Tvergaard–Needleman model or the Thomason model, (ii) creep failure (Grade 91 creep resistant steel) where viscoplastic flow is controlled by dislocation creep or diffusional creep and (iii) ductile rupture after pre-compression (aluminum alloy) where kinematic hardening plays an important role.