统一流变力学模型及用蠕变试验辨识流变力学模型的方法

【摘要】：根据岩石蠕变加卸载试验过程中各应变量之间的关系,分析了各种变形成分在蠕变试验加卸载过程中所表现的力学特性,着重分析了与时间有关的四种基本流变性态(粘性、粘弹性、粘塑性、粘弹塑性)的力学特性。用弹簧、摩擦片和粘壶这三个元件分别模拟岩石的弹性、塑性和粘性,它们的并联组合可组成七个不同的模型,其中与粘壶并联的有四个(包括粘壶本身),称为基本流变力学模型,对应于与时间有关的四种基本流变性态。用这四个基本流变力学模型进行串联组合,可以形成15个流变力学模型(包括四个基本流变力学模型和11个复合流变力学模型),其中包含全部四种基本流变力学性态的流变力学模型能表征岩石的各种流变性态,是最复杂的流变力学模型,通过对该模型与其他14个流变力学模型的相互关系的分析,得出其他14个流变力学模型都是该模型在某些特定条件下的特例,因而该模型可以被认为是统一流变力学模型。已见报道的有些流变力学模型在形式上并不在这15个模型中,但可以通过等效变换转化成为这15个模型之一,文中给出了具体的等效变换法则和方法。对统一流变力学模型的本构方程、加卸载蠕变特性、松弛特性进行了分析研究,从而对理论流变力学模型及各模型之间的相互关系有了全面而系统的认识。迄今,运用岩石蠕变试验结果来确定岩石的流变力学模型及其模型参数的方法通常是列举几个现有的模型,根据这几个有限的模型的蠕变曲线,逐个与蠕变试验曲线比较,来辨识岩石所适合的流变力学模型,这种方法存在着较大的局限性和理论上的不严密性。作者通过对岩石流变力学性态及其对应的流变力学模型的研究,运用各种流变力学模型之间的相互关系,以及流变力学模型与流变力学性态之间的对应关系,提出了用岩石加卸载蠕变试验结果,从15个模型中系统地辨识出适合该种岩石蠕变试验结果的流变力学模型的方法,并可确定各个模型参数。理论上,即使对最复杂的流变性态所对应的统一流变力学模型也可作唯一辨识,并确定其所有模型参数。文中列举了几个模型辨识的实例。此外,还进一步探讨了统一流变力学模型的意义、理论流变力学模型的局限性,以及理论流变力学模型中的非线性问题等。