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石膏角砾岩非线性流变模型研究及有限元分析

发布于:2011-02-24 13:05:24 来自:建筑设计/建筑资料库 [复制转发]
本文通过对石膏角砾岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,单轴以及不同围压下的三轴压缩蠕变试验,研究了石膏角砾岩的瞬时变形及破坏特征,在不同围压及应力水平下的蠕变特征等。研究结果表明,石膏角砾岩流变具有非线性特征。结合偏光显微镜和扫描电子显微镜观测分析,探讨了石膏角砾岩的蠕变机理。 在以上试验的基础上,基于统计损伤理论研究了石膏角砾岩瞬时损伤应力应变本构关系,提出统计损伤应考虑损伤门槛的影响,建立了考虑损伤门槛的统计损伤本构方程,理论计算结果与常规试验结果比较接近。根据石膏角砾岩的蠕变特性,建立了石膏角砾岩的流变组合模型;编写了拟牛顿法拟合程序,对流变模型参数进行拟合,分析了不同应力水平下模型参数变化的规律。在考虑损伤门槛的统计损伤及石膏角砾岩流变组合模型的基础上,应用应变等效原理,建立了考虑瞬时损伤的流变本构模型,理论计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的损伤流变模型能够描述石膏角砾岩的非线性流变。在Kachanov提出的一维蠕变损伤演化方程的基础上,建立了同时考虑瞬时损伤和蠕变损伤的流变本构模型,理论值与试验值基本一致,验证了提出的蠕变损伤演化方程是正确的,所建的损伤流变模型能够较好地描述石膏角砾岩的加速蠕变阶段。 基于人工神经网络在模拟非线性方面所具有的优势,用神经网络对石膏角砾岩的非线性流变特性进行尝试性研究。建立了分别加载下岩石流变的神经网络模型;以西原模型作为考题,验证了神经网络流变模型在描述岩石流变行为方面是可行并有效的。提出了“分段外推”的思想来提高神经网络模型对时间的外推性,同时,为了增加每段外推的稳定性,提出了“初次训练”的方法;以考题为例,验证了所提方法的优越性。对石膏角砾岩的非线性流变进行了模拟,结果显示神经网络流变模型拟合精度较高。 结合有限元法的基本原理,分析了粘弹塑性损伤流变模型和神经网络流变模型的粘性应变计算方法以及相应的有限元求解过程;采用ANSYS进行前处理,利用APDL语言提取计算所需的相关信息,用MATLAB编制了粘弹塑性损伤流变模型及神经网络流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的程序对石膏角砾岩蠕变试验进行了有限元分析,有限元计算结果与蠕变试验结果吻合的较好,表明采用损伤理论和神经网络理论研究岩石的非线性流变是可行有效的,可应用于实际。
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In this paper, the instantaneous deformation and failure characteristics, creep characteristics of gypsum breccias under different confining pressures and stress levels are studied by means of conventional triaxial compression tests and uniaxial and triaxial compression creep tests. The results show that gypsum breccias can display the creep properties of nonlinearity and acceleration under certain stress level. On the basis of polarization microscope analysis and scanning electron microscope analysis, the creep mechanism of gypsum breccias is also discussed.Based on statistical damage theory, the instantaneous damage constitutive relationship of gypsum breccias is studied. In consideration of the impact of damage threshold, a statistical damage constitutional equation is established. The theoretical calculated results are basically close to conventional test results. In the light of creep characteristics of gypsum breccias, a multiple rheological mechanics model is set up. With Quasi-Newton fitting program written by the author, the rheological model parameters are fitted in accordance with creep test results and theirs variation regularities are analyzed under different stress levels. Based on the statistical damage evolution equation considering stress damage threshold and the multiple rheological model of gypsum breccias, the damage rheological constitutional model is established from hypothesis of strain equivalence. The calculated results of the model agree well with creep test results. This indicates that the damage rheological constitutional model put forward can effectively describe the nonlinear rheological property of gypsum breccias. On the basis of Kachanov’s one-dimensional creep damage evolution equation, the rheological constitutional model is established which considering instantaneous damage and creep damage. The good agreement of theoretical data with test data shows that the creep damage evolution equation put forward is rational and the damage rheological constitutional model established can describe the accelerated creep stage of gypsum breccias well.Because of artificial neural network’s good simulation of nonlinearity, the nonlinear rheological property of gypsum breccias is studied tentatively through neural network. The neural network model for rheology of rock is established under separate loading. Taking visco-elastoplastic model as an examination question, it is verified that the neural network rheological model is feasible and effective in describing rheological behavior of rock. In order to improve neural network rheological model’s extrapolation ability of time, the idea of "segment extrapolation" is put forward. And in order to raise extrapolation stability of each segment, the method of "primary training" is proposed.
这个家伙什么也没有留下。。。

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随着我国国民经济建设的迅猛发展,各种与地质相关的工程项目规模越来越大,以地质体为主体建成的工程规模亦愈来愈大,出现的问题愈来愈复杂,由此引起了许多学者和工程技术人员广泛关注。为此,研究和编写论文过程中贯穿两条主线:一是分析和研究当前地质工程的研究现状及其风险表现形式、风险的特征,二是探讨地质工程项目的风险管理思路及风险评估的方法理论,进行了如下几个方面的探索性研究。(1)对地质工程问题的新认识①地质工程学的研究对象是以地质体为主要工程结构的一类特殊工程,它包括三个基本点:一是地质环境对工程安全稳定性的控制性作用,二是地质灾害治理技术的研究和开发,三是地质灾害的监测与预警。②地质工程学研究的基本思路是以地质条件研究为基础,有针对性地提出合理的工程施工方法、加固治理工程措旌、防灾设计以及灾害的检测预报,其研究的目标是防止地质灾害的发生、保障工程的安全作用,以实现自然系统与工程系统达到最佳耦合状态。③论文认为地质工程项目具有三个基本特性:1)项目立项的艰巨性和复杂性;2)项目是诸多地质学技术的综合反映;3)项目的隐蔽性及其影响的持久性。(2)地质工程项目风险的分析①论文认为地质工程项目风险在时间维度上主要表现为自然系统的客观存在性和人们的认知能力的有限性,在空间维度上主要表现为工程系统作用域或影响区域的风险性,主要表现为:1)风险具有双重来源,引发风险的因素既来自自然界,也来自人类本身;2)风险存在的客观性和普遍性;3)风险的可变性和可利用性;4)风险的多样性和多层次性;5)风险具有可计算性和不可计算性。②根据风险的概率分布规律,结合地质工程项目特点及其风险表现特征,本文将其风险划分为:可规避性、可转移性、可缓解性和可接受性四个等级。(3)地质工程项目风险管理的探讨①论文将地质工程项目风险管理特性归纳为:1)项目参与方比较多,对于不同的利益相关者,他们承担的风险也是不同的;2)风险是有时限的,不同的风险可能存在于项目的某一阶段,其风险具有潜伏期和活动期两大基本特征,风险的承担者也只在这特定的时间内才承担这些风险;3)项目风险管理的目的在于在对地质体的改造过程中不断地预测将会出现的各种风险并制订相应的应急预案。4)项目风险管理是有代价的。②论文将地质工程项目风险管理定义为项目管理者通过对风险的识别、选择相应的手段,以最小的支出,获得最大的安全效果的动态过程。1)、管理流程包括风险的识别与评估、管理的规划、风险的决策与实施风险控制。2)、风险控制措施主要包括组织措施、管理措施、经济措施和技术措施四个方面。(4)地质工程项目风险评估模型的探讨结合地质工程项目管理特性及其管理流程,论文就其项目整个系统风险、决策风险和成本与进度风险进行了如下五个方面的探讨。①项目系统风险的评估。分别从时间维、空间维和目标维三度空间上分析了影响工程项目的风险因子,在确定评价因素、因子的评价等级标准和权值的基础上,运用模糊集合变换原理,以隶属度描述各因素及因子的模糊界线,构造模糊评价矩阵,通过多层的复合运算,最终确定评价对象所属的风险等级。②项目决策风险评估。在分析地质工程项目决策程序和决策科学化原则的基础上,采用离散数学的相关理论、集合论和概率统计的方法,建立了风险型决策的数学模型和决策方案风险的数学模型。③项目承包风险评估。以灰色聚类分析为主体,辅以灰色统计法和AHP法(层次分析法),在确定其风险等级划分的基础上,建立了项目承包风险的评估模型。④成本监测及风险预警。采用新陈代谢GM(1,1)模型对项目的施工成本进行预测分析并建立了施工成本风险监测预警模型。⑤项目进度风险评估。采用采用模糊优选理论与动态网络结构的原理对事先拟定的多种进度计划方案进行计算分析,为科学决策提供依据,建立动态网络模型以更好地对项目的进度风险进行监测和预警。

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