基于分数阶微积分及改进弹塑性体的流变模型北大核心CSCD

为了减少流变模型元件个数并提高模型描述岩石非线性流变特征的能力,从改进一种弹塑性体元件入手,在考虑岩石残余强度的基础上,引入损伤变量修正系数,得到改进后的弹塑性体元件。同时引入由分数阶微积分表征本构关系的软体元件,将其与弹簧元件并联构成分数阶开尔文模型。由改进的弹塑性体元件串联分数阶开尔文模型,即可得到一种新的三元件流变模型。以大理岩单轴蠕变试验数据为例对模型进行验证,结果表明三元件流变模型具有较好的模拟精度及良好的应用前景。     

膨胀土非线性蠕变模型研究

通过对南宁膨胀土的三轴压缩蠕变试验,研究了该膨胀土的非线性蠕变特性。基于流变力学和分数阶微积分理论的蠕变模型,构建了可反映膨胀土非线性流变特性的本构方程和蠕变方程。为了更好地描述膨胀土的非线性流变行为,通过引入考虑应力水平影响的类粘滞系数,进一步改进了软体元件。研究发现,膨胀土的非线性蠕变过程可以通过调整分数阶次β1和β2进行有效地模拟。研究结果表明,所建立的模型能完整地描述膨胀土的粘-弹-塑性变形,且模型分析结果与试验结果非常吻合,为计算膨胀土地基在长期荷载作用下的变形提供了理论依据,也对进一步探索膨胀土的应力松弛和长期强度等流变特性具有理论意义。     

大型地下厂房围岩三维粘弹塑性数值模拟

目前,地下工程围岩尤其是大型岩石地下工程围岩的粘弹塑性分析研究少见报道。针对这种情况,本文根据西原粘弹塑性流变模型相关理论开发了hhu-vp流变计算软件,以用于大型岩石地下工程围岩粘弹塑性流变数值模拟分析;并以一简单算例与软件FLAC-3D比较,结果偏差在容许范围内。将其应用于水布垭大型地下洞室围岩流变研究中,对该地下洞室的施工开挖及支护处理过程进行了模拟,提出了支护处理意见,并对其运营期的长期稳定性作出了评价。     

花岗岩非定常蠕变及其参数确定

深部岩体工程的长期稳定性与围岩的时效变形特性有着紧密的联系,花岗岩在高地应力作用下会呈现出流变特性,采用TAW-2000岩石三轴试验机,对花岗岩试件在三轴压缩条件下进行了蠕变特性试验。通过德鲁克-普拉格屈服函数在西原体一维蠕变方程中引入强度参数C、φ值,推导出三维状态下轴向蠕变方程来描述花岗岩蠕变过程,并分析了变形参数泊松比和强度参数C、φ的变化规律。由三轴试验结果,用非线性最小二乘法求出了不同围压作用不同时刻下的流变参数,并根据参数分布规律得到了流变参数与应力和时间的关系,最后推出非定常三维非线性蠕变方程。研究表明:该模型能很好反映花岗岩流变参数随应力和时间的弱化规律、稳定蠕变和衰减蠕变过程的蠕变特性,为深部岩石工程的长期稳定性问题提供新的研究思路与研究方法。     

粘性泥石流运动模型的实验研究

粘性泥石流运动模型的研究因受实验条件的限制,还很不完善。国内外学者应用较多的５种模型都有一定的适用性,但也都存在不同的缺陷。本文应用粘性泥石流土样中的细颗粒和粗颗粒进行流变实验,不仅得到了粗颗粒在浆体中的沉降特性和泥石流体的流变特性,还研究了粘性泥石流运动模型及其参数。所提模型能很好地反映泥石流体的流变特性,较现有的５种模型能更好地描述粘性泥石流。     

岩石单轴压缩蠕变损伤本构模型

准确预测岩石蠕变行为对岩石力学与工程的研究具有非常重要的意义。首先对岩石蠕变机理及典型蠕变曲线进行了分析,其次通过在经典岩石蠕变模型如J体模型的基础上引入损伤理论及Kachanov损伤演化定律,进而建立了一个新的岩石蠕变损伤本构模型。第三,对模型参数的确定方法进行了详细的研究。最后,引用其他学者所开展的不同轴压下岩石单轴压缩蠕变试验对该模型的合理性进行了验证。可以发现本文所提出的模型不仅能够很好地预测岩石的稳定蠕变阶段,而且还能预测经典模型所不能反映的岩石加速蠕变变形。结果表明损伤理论能够很好地反映岩石的蠕变破坏机理,为了能够准确模拟岩石蠕变变形全过程,在经典的J体模型中引入损伤因子是很有必要的。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

南宁膨胀土加载-卸载试验及蠕变特性

利用固结仪对南宁膨胀土进行了一维加载-卸载实验,得到了加载-卸载条件下的应力应变关系。试验结果表明,土样加载或卸载时,以瞬时变形为主,其后随着时间的推移,迅速出现衰减蠕变或回弹变形,但最后仍然留下部分残余变形;含水率和应力水平越高,其塑性和流变特性越明显。根据压缩曲线和回弹曲线分析得到,膨胀土的变形由瞬时弹性变形、瞬时塑性变形,弹性滞后变形等组成。探索了膨胀土流变元件模型的组成形式,并通过拟合确定了相关的流变参数.所得结果可供膨胀土流变问题的进一步研究参考。     

散粒体斜坡上滚石法向碰撞恢复系数研究∗

国内外在研究滚石碰撞问题时多将碰撞目标假设为弹塑性体,从而推导出恢复系数计算公式。但是对于散粒体斜坡,由于具有结构松散、高压缩、低黏结力等物理力学特性,如果将其完全考虑为弹塑性体,那么低估了其自身的耗能潜力。为此,我们考虑了松散介质的孔隙压密特征,改进提出了散粒体斜坡上滚石法向碰撞恢复系数的计算式,并探讨了滚石碰撞再回弹的临界条件。同时以西藏昌都察达隧道进口散粒体斜坡为算例进行数值模拟,分析了5 种影响因素下滚石法向碰撞恢复系数变化规律,并与改进公式、已有相关公式计算结果进行了对比分析。结果表明改进公式与数值模拟结果较为吻合,优于假设为弹塑性体的公式计算值。研究思路及成果可为类似区域性问题提供参考。     

应用于堆石坝的弹塑性模型与亚塑性模型的理论对比分析

未来的超高面板堆石坝的设计与施工将以变形控制为核心,面板堆石坝的变形与堆石体的材料密切相关,然而,堆石体的材料是一种典型的非线弹性材料,因此选取能够准确反映堆石体应力和变形关系的本构模型将是解决坝体变形的有效措施之一。在广泛阅读国内外相关文献的基础上,选取在经典弹塑性理论与亚塑性理论中具有一定代表性的沈珠江双屈服面弹塑性模型与Gu—dehus—Buaer亚塑性模型进行系统的理论分析与对比,为堆石体材料应力应变分析模型的选取提供理论依据。     

基于PSO-AHP的大坝致灾因子权重计算

提出了一种基于改进粒子群优化-层次分析法(SELPSO-AHP)的致灾因子权重计算模型,该模型依据大坝现场检测、原型监测和安全定期检查等成果,由层次分析法构建大坝风险分析的层次结构体系。为保证判断矩阵的一致性,引入改进粒子群算法和罚函数法用于层次分析法的权值计算,取得了比遗传算法更精确、更稳定的结果。将所建立的模型用于某混凝土重力坝的运行风险分析,得到了影响该坝运行风险的主要因素,为保障大坝安全提供了依据。     

堆石料流变的特性研究与反分析

根据堆石料流变的机理分析,认为在力的持续作用下,细化破碎的堆石颗粒滑移充填孔隙是发生蠕变的主要原因,形成对堆石料流变本质的新认识。通过试验比较分析,三轴流变试验和一维蠕变试验对于堆石料流变规律的描述是基本一致的,并与应力状态和时间因素相关,但流变参数却难以通过试验确定。根据4参数堆石料流变(蠕变)关系式和双屈服面弹塑性模型硬化规律随时间的变化,对坝体原型观测资料进行反馈计算确定流变参数。说明采用反馈分析方法是研究堆石料流变参数的有效途径。     

砂土三轴压缩和拉伸行为的分数阶塑性模型∗

实际工程中的砂土等粗粒土往往不仅会受到压缩剪切作用,还有可能受到拉伸剪切作用。但是,目前所建立的分数阶塑性力学模型,仅考虑了砂土的压缩剪切行为;对于砂土的拉伸剪切行为,还有待进一步验证。运用广义分数阶微分定义,提出了一个修正的剪胀方程,并基于此建立了一个可以描述砂土三轴压缩和拉伸行为的分数阶塑性力学模型。选取不同砂土的三轴压缩和拉伸试验数据,对模型进行了验证,结果表明,模型可以合理的对砂土在压缩和拉伸条件下的应力应变行为进行预测。     

分块降阶模型及其在风与膜结构流固耦合计算中的应用

提出一种分块降阶模型,将流固耦合体系看成由力模型和结构动力模型构成,力模型中作用于结构上的力由力幅和频率信号构成,考虑膜结构的非线性,对模型进行了非线性校正。校正时采用本征正交分解方法,对每一个模态利用其时间系数进行比例调整;最后将力模型输出结果输入到结构动力模型中,计算得到膜结构的风振响应。将降阶模型应用于风与膜结构的流固耦合分析中,计算得到膜结构风压系数、风振响应等参数,并与全阶模型进行了对比。结果表明,降阶模型可以准确预测膜结构的风致响应和风压系数,且计算效率大大提高。     

基于改进突变理论的滑坡稳定性分级判别

基于改进的突变理论,提出一种滑坡稳定性的综合判别方法。利用山西省交城县24个滑坡实地调查的基础资料,从孕灾环境、承灾体属性和诱灾因素3个方面,选取相对高差、岩土体类型、斜坡岩土体风化程度与裂隙发育特征、植被覆盖率、斜坡结构类型、坡面形态、斜坡坡度、后缘加载、前缘切坡、降雨量10个指标,建立了滑坡稳定性判别模型。采用突变理论、模糊数学、贡献率法相结合的方法确定了初始隶属度函数值,由归一公式逐层递归运算得到总突变级数,利用改进的突变理论方法对总突变级数进行转换,形成新的滑坡稳定性判别准则。将改进后的评判结果与实地调查结果进行对比分析,表明改进的判别方法精度较高,可为滑坡地质灾害的稳定性评价及其防治提供参考。     

基于上限定理确定隧道式锚碇极限抗拔承载力

隧道式锚碇作为一种新型的悬索桥锚碇结构,因具有因地制宜、经济环保的优点在多山的西南地区得到了广泛应用。已有研究表明,锚塞体围岩性质较差、埋深较浅,锚塞体与围岩接触界面结合程度较好的隧道式锚碇极易发生倒楔形冲切破坏。将破坏体视为以锚塞体中心线为轴线的旋转楔形体,假定破坏面为最小旋转曲面,利用变分法经典欧拉方程求解破坏体最小旋转曲面问题,确定旋转曲面母线方程;基于改进的Mohr-Coulomb强度准则,由主缆拉拔荷载和楔形体自重所做的外功率与楔形体沿滑移面所消耗的内功率相等的条件建立虚功方程,推导隧道式锚碇极限抗拔承载力上限解。开展隧道式锚碇室内模型试验,研究了拉拔承载过程中的坡面位移的变化规律及隧道式锚碇的破坏模式。研究结果表明,拉拔作用点的荷载-位移曲线可分为4个阶段：克服重力阶段、弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段;隧道式锚碇破坏模式为围岩倒楔形冲切破坏,破坏体可近似视为以锚塞体中心线为轴线的旋转楔形体;由推导公式得到的隧道式锚碇极限抗拔承载力计算值与实测值一致性较好,具有一定的可靠性,可为隧道式锚碇的设计提供参考。     

动载作用下软弱岩土地质灾害流变动力学研究

动态载荷（地震、海啸狂浪、振动等）是导致地质灾害最主要、最直接的外部动力，软弱岩土由缓慢流变演变为加速流变是灾害突发的外在表现形式。分析了我国近几年软弱岩土突发地质灾害的动力因素，探讨了动态流变力学理论方法在研究地质灾害突发机制、灾害监测预报等方面的研究思路与应用前景。测试了软弱岩土在动态载荷作用下的动态流变参数，建立了动态流变力学模型，推导出了新的流变方程。研究结果为进一步探讨突发地质灾害的临界力学条件、流变动力学方程和动力学关键指标等奠定了基础；对揭示动载作用下软弱岩土加速流变导致地质灾害的流变动力学机制，改进和完善灾害监测预报理论，提高预报的科学性和准确性有一定的意义。     

分级加卸载下深部粉砂岩三轴蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300米东大巷二煤层底板粉砂岩进行了三轴蠕变特性试验,详细探讨了其轴向蠕变和变形模量的变化特征,分析了围压对蠕变和破坏的影响;研究了该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特征。试验结果表明,在围压条件下,加速蠕变阶段较明显,岩样经过典型的蠕变三阶段后产生明显的黏塑性破坏;变形模量随应力水平的增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;瞬弹应变、瞬时总应变、粘弹性应变和总蠕变均随应力水平增大而增大;围压越大,岩石蠕变值越小,变形模量越小,塑性变形所占比重越大,非线性流变越明显。加大围压可以减缓岩石的蠕变破坏时间,围压越大破坏时的应变值也越高。表明围压对岩石蠕变有明显的约束作用。     

序

<正> 和金属,玻璃等通常材料相比.地壳岩石具有特殊的结构.岩石中普遍存在着孔隙,孔隙中又存在着孔隙流体,孔隙与孔隙流体对岩石的性质影响很大,这是岩石区别于其它材料的主要特点.因此,岩石从结构上看,是由固体的岩石骨架和流动的孔隙流体组成的二相体.以这种特殊结构的多相体为目标,近年来形成了岩石孔隙弹性力学、岩石物理学等众多的新学科,它们已开始在地震勘探、研究地震过程中发挥越来越重要的作用.岩石骨架和孔隙流体之间存在着复杂的相互作用,它们构成的非线性系统就是地壳中的岩石.水——作为最主要形式的孔隙流体——是这个系统的重要组成部分,因此,关于水的性状的测量必定包含有大量而丰富的关于岩石状况和过程变化的信息.同时也应该注意,这些信息是反映整个非线性系统整体特性的,从这些信息中提炼出关于地震过程和地震必然要发生的信息,是件十分复杂和困难的工作.     

干湿循环作用对堆石长期变形影响的试验研究

堆石体存在流变,不仅与荷载有关,而且与日晒雨淋引起的干湿循环有关。通过室内试验模拟日晒雨淋引起的干湿循环作用,研究其对堆石体长期变形的影响。试验结果表明,荷载作用流变很快趋于稳定,测得的流变量也相对较小;偏应力状态干湿循环作用引起的长期变形非常明显,其变形占后期变形总量的50%~70%,且后期变形的衰减远小于荷载单独作用引起的流变,这对于坝体的安全和稳定的影响是不容忽视的。根据试验研究揭示的变形规律,本文建立了相应的计算干湿循环变形的数值模型,可用于有限元计算。