不同含水率炭质板岩的损伤蠕变本构模型

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.250055

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 54 ›› Issue (2): 133-144.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.250055

不同含水率炭质板岩的损伤蠕变本构模型

胡涛涛¹^,²(), 刘可萌¹, 赵玉龙¹, 李浩¹, 高咸超¹, 王磊²^,³()

^1.长安大学公路学院，陕西西安 710064
^2.长安大学陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西西安 710064
^3.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054

收稿日期:2025-03-05 出版日期:2026-02-25 发布日期:2025-07-18
通信作者: 王磊 E-mail:tthu@chd.edu.cn;wl2013@xust.edu.cn
作者简介:胡涛涛（1985—），男，博士，副教授，主要从事隧道工程研究。E-mail： tthu@chd.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(52378388);陕西省重点研发计划项目(2025SF-YBXM-554);陕西省公路桥梁与隧道重点实验室（长安大学）水平提升项目(QLYSD2024K07);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(300102213211);长安大学青年学者学科交叉团队建设项目(300104240912)

Damage Creep Constitutive Model of Carbonaceous Slate with Different Moisture Content

HU Taotao¹^,²(), LIU Kemeng¹, ZHAO Yulong¹, LI Hao¹, GAO Xianchao¹, WANG Lei²^,³()

^1.School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，China
^2.Key Laboratory for Bridge and Tunnel of Shaanxi Province，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，China
^3.School of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，Shaanxi，China

Received:2025-03-05 Online:2026-02-25 Published:2025-07-18
Contact: WANG Lei E-mail:tthu@chd.edu.cn;wl2013@xust.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52378388);the Key Research and Development Program of Shaanxi Province(2025SF-YBXM-554)

摘要/Abstract

摘要：

为探究炭质板岩在不同含水率条件下的蠕变特性，该文基于室内分级加载蠕变试验数据，通过非线性黏性元件与表征屈服特性的塑性元件并联，构建了可描述蠕变全过程中非线性加速蠕变阶段的黏塑性体；进而将该非线性黏塑性体与经典西原模型串联，结合弹性模量和黏性系数的软化规律引入了4个损伤因子，建立了能描述不同含水率条件下炭质板岩蠕变全过程的损伤蠕变本构模型（即改进的西原模型）；通过ABAQUS有限元软件进行用户自定义材料子程序（UMAT）二次开发，实现了不同含水率条件下炭质板岩三轴蠕变试验的数值模拟，并通过对比岩样蠕变试验与数值模拟结果，验证了模型的适用性。研究结果表明：所构建的改进西原模型能显著提升加速蠕变阶段的模拟精度，不同含水率工况下的分级加载蠕变试验曲线与数值模拟曲线吻合良好，相关系数均大于0.9；数值模拟云图准确复现了不同含水率岩样的蠕变变形演化过程，验证了所提考虑含水损伤的炭质板岩蠕变本构模型及UMAT子程序开发的正确性与有效性。该研究成果可为富水深埋炭质板岩隧道工程的长期稳定性评估与灾害预警提供理论支撑。

关键词: 炭质板岩, 含水率, 损伤, 改进西原模型, UMAT子程序

Abstract:

To explore the creep characteristics of carbonaceous schist under different moisture content conditions, based on the indoor graded loading creep test data, this paper constructed a viscoplastic body capable of describing the nonlinear accelerated creep stage throughout the entire creep process. This is achieved by parallelly connecting a nonlinear viscous element with a plastic element that characterizes yield behavior, based on data from indoor graded loading creep tests. Subsequently, this nonlinear viscoplastic body was integrated in series with the classical Nishihara model. By incorporating the softening patterns of elastic modulus and viscosity coefficient, four damage factors were introduced to establish a damage-based creep constitutive model (i.e., an improved Nishihara model) that describes the entire creep process of carbonaceous slate under different moisture content conditions. Through secondary development of a user-defined material subroutine (UMAT) in ABAQUS finite element software, numerical simulations of triaxial creep tests on carbonaceous slate under varying moisture content conditions were implemented. The applicability of the model was validated by comparing experimental creep data from rock samples with numerical simulation results. The research results show that the constructed improved Nishihara model can significantly improve the simulation accuracy in the accelerated creep stage. The graded loading creep test curves under different moisture content conditions are in good agreement with the numerical simulation curves, and the correlation coefficients are all greater than 0.9. The numerical simulation cloud map accurately reproduced the creep deformation evolution process of rock samples with different water contents, verifying the correctness and effectiveness of the proposed creep constitutive model of carbonaceous shale considering water damage and the development of the UMAT subroutine. This research achievement can provide theoretical support for the long-term stability assessment and disaster early warning of deep-water buried carbonaceous slate tunnel projects.

Key words: carbonaceous slate, moisture content, damage, improved Nishihara model, UMAT subroutine

中图分类号:

TU45

胡涛涛, 刘可萌, 赵玉龙, 李浩, 高咸超, 王磊. 不同含水率炭质板岩的损伤蠕变本构模型[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2026, 54(2): 133-144.

HU Taotao, LIU Kemeng, ZHAO Yulong, LI Hao, GAO Xianchao, WANG Lei. Damage Creep Constitutive Model of Carbonaceous Slate with Different Moisture Content[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2026, 54(2): 133-144.

图/表 15

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参考文献 21

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含水率/%	荷载水平/MPa	E₀/GPa	E₁/GPa	η₁/（GPa‧h）	η₂/（GPa‧h）	η（x，t）/（GPa‧h）	x	R²
0.00	50	48.11	111.16	4.89				0.938
	70	44.30	315.96	10.38				0.852
	90	41.50	293.60	14.98	953.44			0.982
	100	38.61	332.34	13.07	1 625.96			0.951
	110	36.60	358.19	12.39	1 763.88			0.981
	120	35.21	537.22	23.66	1 638.83			0.963
	130	34.45	624.69	24.78	1 676.64	12 583.19	25.65	0.982
0.34	40	15.59	22.52	9.81				0.951
	60	16.87	61.78	7.56				0.946
	80	17.61	67.19	9.73				0.929
	100	18.82	89.93	8.96	1 306.29			0.950
0.78	40	13.17	14.44	2.91				0.975
	60	14.01	57.35	7.92				0.993
	80	14.38	67.12	11.52				0.949
	100	15.32	78.26	10.25	1 208.51			0.987
1.24	40	12.90	13.74	4.52				0.959
	60	11.08	46.70	4.80				0.897
	80	11.42	57.89	5.87	979.71			0.943
	100	11.70	44.14	4.04	767.21	5 839.48	11.56	0.998

ω/%	E₀/GPa	E₁/GPa	η₁/（GPa‧h）	η₂/（GPa‧h）
0.00	39.83	369.00	14.88	1 537.15
0.34	17.22	60.36	9.02	1 306.29
0.78	14.22	54.29	8.15	1 208.51
1.24	11.78	40.62	4.81	873.46

ω/%	D_ω1	D_ω2	D_ω3	D_ω4
0.00	0.000 000	0.000 000	0.000 000	0.000 000
0.34	0.567 663	0.834 623	0.393 817	0.150 187
0.78	0.642 983	0.852 873	0.452 285	0.213 798
1.24	0.704 243	0.889 919	0.676 747	0.431 767

ω/%	E₀/GPa	E₁/GPa	η₁/（GPa‧h）	η₂/（GPa‧h）
0.00	39.80	369.00	14.65	1 527.38
0.34	17.45	60.59	9.89	1 356.79
0.78	13.12	47.42	6.85	1 136.02
1.24	12.65	47.20	5.46	905.21

不同含水率炭质板岩的损伤蠕变本构模型

Damage Creep Constitutive Model of Carbonaceous Slate with Different Moisture Content

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