冻结黏土卸载状态下双屈服面流变本构关系研究

卸载状态下冻土三轴蠕变试验结果表明,冻土具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻土在卸载状态下的蠕变变形规律,以简单的黏弹塑模型为基本流变元件,提出了冻土服从椭圆-DP双屈服面流变本构力学模型。通过有限元程序的二次开发,将该模型嵌入到ADINA有限元程序中。对冻土三轴蠕变试验过程进行了数值模拟表明,椭圆-DP型双屈服面本构力学模型能够较好地反映冻土的剪胀性和体积应变等变形性质,数值模拟和试验结果吻合良好,可为冻土工程数值计算提供参考。     

人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

粘弹塑本构模型及用于冻土数值计算的柔度矩阵

随着寒区经济发展及冻结法施工技术在工程中的推广应用,对冻土蠕变的深入研究显得尤为重要.对冻土单轴流变试验结果分析,用非线性牛顿体替代线性牛顿体,从而对西原模型进行了改进,得到了冻土三向应力状态下的本构方程;并利用D-P屈服准则推导出应用与数值计算的柔度矩阵.通过有限元程序的二次开发,将本构模型添加到大型非线性程序ADINA中.用三轴蠕变试验检验了粘弹塑本构模型,获得相应的试验拟合曲线.结果表明:三轴蠕变试验与理论计算结果吻合良好,说明粘弹塑本构模型可以描述冻土在高应力下反映的非衰减性蠕变变形特征.     

深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型研究及其验证

采用改进的Mohr-Coulomb屈服准则(Zienkiewicz-Pande准则), 建立了能描述人工冻土3个阶段蠕变特性的黏弹塑损伤耦合本构模型. 基于该本构模型建立了模型的柔度矩阵, 将本构模型嵌入到ADINA有限元程序中. 计算表明: 数值模拟得到的人工冻土蠕变特性曲线与实测值吻合良好, 最大误差为4.8%, 说明基于改进的Mohr-Coulomb准则建立的黏弹塑损伤耦合本构模型能够准确的描述人工冻土剪切特性和3个阶段的蠕变特性.获得的本构模型具有参数少、容易确定等优点. 深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型的建立, 对于人工冻土结构物长期稳定分析和预测具有重大的理论指导意义.     

基于改进Bingham模型的软岩参数非定常三维非线性黏弹塑性蠕变本构研究

传统线性元件组合模型难以描述岩石非线性加速蠕变阶段特性,给工程应用带来了巨大困难。提出一种新的应变触发非线性黏壶元件,并将其与Bingham模型串联,建立了可以描述岩石等速和加速蠕变特性的一维本构模型,进而推导出相应的三维蠕变本构模型,再将三轴压缩过程中岩石弹性模量的衰减方程引入该三维蠕变本构方程,得到一个能反映岩石蠕变全过程特性的三维非线性黏弹塑蠕变本构模型,根据泥岩蠕变试验数据对该模型参数进行了辨识。模型理论计算值与泥岩蠕变试验数据的对比表明改进的Bingham模型不仅可以充分反映软岩的等速蠕变特性,还可以很好地描述软岩的衰减和加速蠕变规律,且模型元件少,组合形式简单,为软岩非线性蠕变本构模型研究提供了新的借鉴。     

一种横观各向同性岩体蠕变模型

层状岩体由于层理面或者结构面的存在,在力学上具有横观各向同性的特点,现有的各向同性蠕变模型难以全面反映横观各向同性岩体的蠕变力学特性。为构建能够反映横观各向同性岩体的三维蠕变模型,以能反映瞬时应变、减速蠕变和稳态蠕变特征的黏弹性Burgers模型为基础,基于常泊松比假定,在三维各向同性蠕变本构方程的基础上,按照算子替换的方法,将横观各向同性柔度矩阵代替各向同性柔度矩阵,并考虑了平行和垂直层理方向岩体蠕变力学行为的差异性,推导了横观各向同性岩体的三维蠕变本构方程。根据本构方程的特点,提出了根据平行和垂直方向岩体蠕变试验结果进行三维蠕变本构模型中蠕变参数的辨识方法。将提出的模型应用于三轴蠕变试验参数辨识,从而获得了一套完整的三维蠕变参数,并与试验结果进行对比分析,从而验证了所提模型与方法的合理性和有效性。进一步,指出了传统蠕变试验设计方案的局限性,给出了横观各向同性材料蠕变试验设计建议。研究成果为研究岩体三维蠕变机制提供了新思路,可对岩体蠕变试验设计提供相应的科研支撑。     

基于Weibull分布的红砂岩三轴蠕变试验及模型研究

当前,地下工程围岩蠕变问题仍然存在,蠕变理论需要进一步丰富。岩石蠕变实质上是损伤不断积累的过程,针对蠕变条件下岩石损伤演化情况,文章采用TAW-2000多功能三轴伺服试验系统对取自四川乐山依卜隧道的红砂岩进行三轴蠕变试验,分析不同围压下试样蠕变变形规律,同时以西原模型为基础,结合Weibull分布和Perzyna黏塑性理论,建立一种改进的可以描述岩石蠕变破坏全过程的黏弹塑性蠕变模型。通过划分蠕变阶段来定义临界点损伤变量,从而更为准确地确定加速蠕变启动时间。得出如下结论：（1）模型曲线与试验数据具有良好的一致性,验证了模型的准确性与合理性,说明基于Weibull分布建立的红砂岩黏弹塑性蠕变模型是可行的;（2）基于Perzyna黏塑性理论,建立了可以更加准确的描述加速蠕变的黏塑性应变表达式;（3）文章建立的基于Weibull分布和Perzyna黏塑性理论的三轴损伤蠕变模型能够较好的描述岩石蠕变全过程,克服了西原模型不能描述加速蠕变的缺点。本研究通过定义不同蠕变阶段的临界点损伤变量更好的反映了岩石蠕变变形与损伤之间关系,丰富了岩石类材料的蠕变本构理论。     

各向异性弹黏塑性模型在ABAQUS中的研发

通过将Perzyna过应力理论与临界状态理论相结合,并引入Wheeler旋转硬化法则,提出一个能描述土体初始各向异性及应力诱发各向异性的三维弹黏塑性本构模型。模型考虑流变发生的下限,在三维应力空间,模型存在形状相似的静屈服面及动态加载面。采用缩放形式的幂函数。本构模型数值算法采用回映算法,借助ABAQUS软件UMAT子程序接口实现。并通过对三轴不排水蠕变试验的模拟,确定合适的积分步长。此后,分别对三轴不排水蠕变试验及常应变率三轴不排水剪切试验进行了模拟。模拟中通过设置不同参数值,可将模型退化为各向同性模型,并对这两种模拟结果进行了比较。模拟结果表明：(1) 对于三轴不排水蠕变,在低剪应力水平下,各向同性模型和各向异性模型模拟的结果相差不大,而在高剪应力水平下,各向异性模型模拟结果更接近试验结果;(2) 对于常应变率加载试验的模拟,模型合理反映了土体不排水强度随着加载速率的增大而增大现象。     

盐岩蠕变特性和本构关系研究

对金坛盐岩蠕变规律进行了试验研究,分析了不同应力状态和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过试验获取了蠕变曲线和蠕变特征参数。根据其蠕变曲线特征,用黏弹塑性理论建立了盐岩蠕变本构模型。试验结果表明,稳态蠕变率是偏应力和温度的非线性函数关系,并提出盐岩的稳态蠕变本构方程。通过试验数据拟合得到本构方程中的参数,将理论和试验结果进行比较,结果表明两者的吻合性较好。     

考虑温度影响的冻土蠕变本构模型

冰作为冻土的基本组成部分,对冻土蠕变的加速蠕变阶段有重要影响。温度通过影响冻土中冰的冻结与融化过程,及其黏塑性流动,引起冻土结构的强化与弱化,从而成为了决定冻土蠕变力学行为的关键因素之一。同时,外部应力也造成冻土的强化与弱化,影响着冻土的蠕变。通过引入硬化因子与损伤因子来考虑温度、应力造成的冻土材料强化与弱化。硬化因子H代表了蠕变过程中强化效应的大小,而损伤因子D则代表了由弱化效应造成的冻土材料相关参数的折减比例,进而提出了适用于冻土的改进西原蠕变本构模型。该模型预测值与试验数据的比较表明：改进的模型不仅能较好地描述初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段,而且相比于传统模型,能更好地描述冻土加速蠕变阶段,具有合理性与一定的实用性。     

A fractional order creep constitutive model of warm frozen silt

A series of triaxial creep tests were conducted on warm frozen silts extracted from Qinghai–Tibet Plateau at temperature of ?1.5 °C under confining pressures of 0.5, 1.0, and 2.0 MPa, respectively. The applied test stress levels were 30, 50, 60, and 70% of triaxial shear strength, respectively. The test results indicate that the creep strain increases with the increase in applied stress level and there is a stress threshold, based on which the test results can be classified into two types of creep strain curves. The creep strain curve only includes primary and secondary creep stages when the stress level is less than the threshold value. When the stress level exceeds the threshold value, the creep strain velocity gradually increases and the specimen quickly fails in tertiary creep stage. Based on the creep test results, a fractional order rheological element model is established for warm frozen silt, which is also generalized from uniaxial stress state to the three-dimensional stress state. From the analysis on the features of the stress threshold, a creep strength criterion is also proposed simultaneously. Comparing the calculated results of the warm frozen silt with the tested ones, it is found that the predicted results of the proposed model are in good agreement with the test results. In the proposed fractional order model, the relationship between the damage factor and time is established to describe the damage degree of the specimen. Compared with the existing creep constitutive model of frozen soil, the proposed fractional order model has advantages of fewer model parameters, higher simulation precision and wider applicability in analyzing the mechanical properties of warm frozen silt.     

冻土三轴蠕变特性试验研究及平面冻土墙厚度的确定

主要是对冻土的三轴蠕变特性进行分析研究,从而进一步确定具有明显流变特性的平面冻土墙的厚度。通过对冻土的流变特性进行理论分析,建立了冻黏土在复杂应力状态下的对数型蠕变方程。采用“低温箱-三轴压力室”轻型试验设备系统对人工配制的冻黏土试件进行了三轴蠕变试验,获得了冻黏土在复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果,对冻黏土的对数型非线性蠕变方程进行回归分析,得到了冻黏土对数型蠕变方程参数的数值。根据冻土流变理论和所建立的蠕变方程,以及平面冻土墙的厚度计算公式,利用Visualc++ 6.0和Matlab 6.0技术开发了冻土墙厚度计算的计算机应用软件。分析研究了平面冻土墙厚度与跨度、基坑暴露时间、基坑开挖深度的关系。平面冻土墙厚度随时间的延长在短期内具有急速增长的趋势,而后随时间的延长逐渐趋于稳定;平面冻土墙厚度受其跨度的影响较小,但随基坑开挖深度的加深具有逐步增长的趋势;温度对平面冻土墙厚度的影响显著,温度越高,厚度越大,所以,控制温度是平面冻土墙设计中的关键。从而为蠕变变形较大的平面冻土墙的厚度确定提供了依据。     

冻土的蠕变及蠕变强度

基于试验，本本讨论分析了冻土三轴蠕变规律及温度和围压对冻土蠕变强度的影响，给出了土蠕变及蠕变强度随时间降低的方程式，进而提出了冻土蠕变强度的物型屈服准则。通过改变参数可将冻土的瞬时强度准则与冻土的瞬时强度准则与冻土的蠕变强度准则统一为同一个方程描述。     

冻粘土蠕变损伤耦合本构关系研究

以冻土试验为基础,提出了冻粘土服从DP屈服准则的粘塑损伤变量,通过推导得到了相关联流动法则下的冻土粘弹塑性损伤耦合本构方程.为了研究粘弹塑性和损伤的耦合作用,将建立的冻土材料粘弹塑性损伤耦合本构模型,通过用户子程序嵌入到ADINA有限元中.结果表明:粘弹塑损伤耦合本构模型能较好的模拟冻粘土加速蠕变过程,与实测蠕变吻合较好.     

冻土三轴蠕变非线性数学模型研究

采用MTS-810液压伺服材料试验机, 对人工配制的冻黏土试件进行了三轴蠕变试验, 获得了冻黏土在复杂应力状态下的蠕变曲线. 结果表明: 冻土的蠕变变形具有较强的温度敏感性, 温度越高, 这种温度敏感性越强; 相同温度下, 荷载越大, 变形越大. 运用相关理论, 推导了冻黏土在复杂应力状态下的三轴蠕变非线性数学模型, 采用MATLAB软件的数据拟合功能得到了模型方程参数的数值, 模型参数与温度之间存在密切关系, 建立了二者之间的数学表达式. 冻土三轴蠕变非线性数学模型的曲线与试验曲线拟合精度较高, 建立的数学模型可以精确体现冻土的蠕变规律, 能够为实际冻土工程的变形发展预测提供有效的理论指导.     

白垩系饱和冻结砂岩蠕变试验及本构模型研究

冻结法作为穿越富水软岩地层的重要施工方法,冻结壁的长期稳定性对于工程安全有着至关重要的作用。蠕变破坏是诱发冻结壁变形的显著特点之一,对研究冻结岩石蠕变的特性有重要的理论和工程意义。以白垩系饱和冻结砂岩为研究对象,开展–10 ℃低温冻结条件下,不同围压（0、2、4、6 MPa）的三轴蠕变力学试验。分析了饱和冻结砂岩蠕变变形,根据现有黏弹塑性模型开展了参数辨识并探究蠕变参数的变化规律,基于此提出考虑温度及损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明：低温冻结削弱蠕变过程中颗粒间的相互胶结力,使其蠕变特征明显;而围压却在一定程度上抑制饱和冻结砂岩内部损伤的发展,导致稳态蠕变速率随围压的升高出现明显的下降趋势。随围压的增加饱和冻结砂岩的蠕变破坏形态呈现出从剪切破坏到张拉破坏再到局部塑形硬化破坏的变化过程。在黏弹塑性模型的基础上,总结蠕变参数 、 和 随荷载的增加呈现先增后减的趋势,拐点为屈服应力;而参数 在大于屈服应力后出现并呈现先增后减的趋势。结合冻结岩石蠕变数据对定义的应力-低温耦合蠕变本构模型进行了参数辨识,并将该模型的计算结果与蠕变试验数据对比,验证所建立非线性模型的正确性与合理性。