无加筋、加筋砂土蠕变特征的有限元分析

根据分级加载条件下的蠕变试验,分析研究了无加筋砂土和土工格栅加筋砂土的蠕变特征,发现蠕变变形与分级加载时的应力水平、初始蠕变应变速率有很大关系,且蠕变后以恒定应变速率重新加载时呈现出刚度很大、近似弹性的行为。针对无加筋砂土和土工格栅加筋砂土提出一种弹黏塑性有限元计算方法。有限元计算过程中,砂土和土工格栅均采用统一的3要素弹黏塑性本构模型。该方法能够对含多个蠕变段的恒定应变速率加载全过程进行模拟。通过试验结果与有限元计算结果的比较,表明所提出的弹黏塑性有限元计算方法能较好地模拟无加筋砂土和土工格栅加筋砂土的蠕变特征,特别是蠕变后重新加载时的刚度很大、近似弹性的行为。     

冻结砂土在动荷载下的蠕变特征

通过分析不同试验条件下的蠕变过程曲线,探讨了冻结砂土在动荷载下的蠕变模型,分析了最大加载应力,温度及加载频率对冻土蠕变破坏应变,破坏时间和最小蠕变速率的影响.结果表明,当最大加载应力变大时,破坏应变增加,破坏时间缩短,最小蠕变速率变快;加载条件相同时,温度越低,破坏应变越小,破坏时间越长,最小蠕变速率越小;加载频率变化时,最小蠕变速率的变化无明显规律,都在一个量级范围内,当频率变大时,最小蠕变速率略有变小的趋势.频率增加,破坏时间缩短,破坏应变减小.频率小于7Hz时,频率对破坏应变和破坏时间影响较大,而当频率大于7Hz时,随频率加快,破坏时间和破坏应变只略有减小.     

基于硬化-损伤机制的贫煤蠕变本构模型研究

岩石蠕变是其内部硬化效应和损伤效应共同作用演化的结果。通过分级加载下贫煤单轴压缩蠕变试验,基于试验中瞬时弹性模量增大和黏滞系数减小的现象,分析贫煤蠕变中的硬化-损伤机制。结果表明,较低应力下煤样的变形仅为瞬时应变,煤样仅有硬化效应;当应力达到蠕变起始应力阈值时煤样逐渐出现损伤,次生裂纹出现并扩展,硬化效应与损伤效应共同作用下煤样表现出衰减蠕变和稳定蠕变特征。长期蠕变过程中煤样强度经历先硬化再弱化的过程,最终因累计损伤过大而失稳破坏,依据各级应力下煤样的变形特征,构建了符合其变形规律的黏弹塑性组合模型,并引入了硬化函数和损伤函数,推导得到其蠕变本构方程。采用该模型描述分级加载下贫煤单轴压缩蠕变变形曲线,试验曲线和模型曲线吻合良好。该模型元件简单,物理意义明确,能很好地反映贫煤单轴压缩下的硬化–损伤蠕变特性。     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变本构模型研究

依据粉砂质泥岩三轴压缩蠕变试验结果,分析了岩石的蠕变力学特性。选取线性黏弹性Burgers模型来描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变特性。引入非线性黏塑性元件,将其与Burgers模型串联起来,建立一个新的六元件非线性黏弹塑性Burgers蠕变本构模型。采用非线性Burgers模型来描述岩石的加速蠕变特性。应用Levenberg-Marquardt算法对蠕变试验曲线进行辨识,得出各级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,表明线性Burgers模型与非线性Burgers模型可以准确描述岩石3个蠕变阶段的力学特性。模型参数辨识结果表明,在同一级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数各自独立并不统一,模型参数取值时应考虑岩石蠕变的各向异性以及轴向与径向蠕变量、蠕变速率大小的差异。在前7级应力水平下,模型参数应取以轴向应变辨识得到的Burgers模型参数;在第8级应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的Burgers模型参数;在破裂应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的非线性Burgers模型参数。     

南宁膨胀土非线性流变模型研究

对南宁非饱和膨胀土进行一系列的加载-卸载固结蠕变试验,得到了不同含水率的膨胀土在不同应力水平下应变-时间曲线和不同时刻的应力-应变等时曲线簇。通过对膨胀土各阶段蠕变变形的分析,得到了膨胀土的固结蠕变是包含有黏弹性变形和黏塑性变形成分的非线性蠕变。采用模型流变与经验流变理论相结合的方法,将膨胀土的蠕变变形分成线性和非线性两部分进行分析,蠕变柔量和线性黏弹性模量随时间减小,而线性黏塑性模量随时间增大。结合膨胀土的线性黏塑性模型和非线性黏塑性经验模型,建立能够描述膨胀土非线性流变的黏塑性本构方程。根据试验所得数据,通过非线性拟合方法得到各模型参数,用该模型进行数值分析得到的理论与蠕变试验结果对比非常吻合。研究成果为实际工程提供了流变变形计算分析的可靠依据。     

坝基碎屑岩三轴蠕变特性及长期强度试验研究

基于物理和常规变形特性分析,认为某水电站坝基碎屑岩力学特性异常复杂,故采用岩石三轴伺服仪开展了系列的蠕变力学特性试验研究。首先,探讨了轴向、侧向及体积蠕变特性和速率变化规律;其次,分析了蠕变对偏应力-应变特性影响并开展了破坏岩样微细观电镜扫描试验;最后,在采用等时曲线簇法确定长期强度的基础上,以实际延性扩容为依据,认为岩石侧向体积扩容速率大于轴向压缩速率的临界点为快速蠕变破坏的标志,提出确定长期强度的新方法。结果表明,碎屑岩表现出显著的蠕变特性,蠕变曲线主要分为初始衰减和稳态蠕变两阶段,且最后一级应力施加后呈现加速蠕变现象;应力增加导致蠕变变形加剧,最终破坏表现出轴向压缩变形过大、体积延性扩容明显、稳态蠕变速率较大等特点,且蠕变速率与应力符合指数函数关系。岩样长期强度与三向稳态蠕变速率交点和侧向体积扩容应力阀值基本一致,为常规强度的54%～80%。试验结果旨在为相关岩石工程长期稳定分析及蠕变模型构建提供可靠的依据。     

一个描述软黏土时效特性的一维弹黏塑性模型

为了描述软黏土一维应力-应变关系的时效特性,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,推导了黏塑性应变率与黏塑性应变增量的关系,建立了软黏土的一维弹黏塑性模型;从理论上分析了新建模型与3种典型的一维弹黏塑性时效本构模型的内在联系,表明新建模型与其他3种模型在本质上是等效的,且形式更简洁,物理意义更明确;利用新建模型对软黏土的固结-蠕变耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等时效特性进行了理论分析,并得到了相应的解析解;结合宁波软黏土的一维固结试验,阐述了模型参数的确定方法,并用新建模型对宁波软黏土的固结-蠕变试验、温州软黏土的一维多级等应变率试验、香港海相软黏土的一维应力松弛试验进行模拟,验证了新建模型的有效性。研究结果表明,新建模型能很好地模拟软黏土的一维时效特性。     

岩土类材料率相关性及硬化-软化特性模型研究

岩土类材料具有显著的率相关性,其应力-应变关系全过程一般表现为硬化-软化特征,研究如何描述这两类特征具有重要的意义。基于岩土类材料的物理变形机制分析,考虑到其结构性特征,采用弹黏塑性本构模型,引入反映材料结构变化的可变结构黏滞系数及其演化方程,并将其嵌入到弹黏塑性本构模型中去,建立能够反映材料结构变化的弹黏塑性本构模型。利用玄武岩常规三轴常应变率试验结果对所建立的模型进行试验验证,结果表明：所建立的弹黏塑本构模型能够完整、合理地描述岩土类材料应力-应变关系全过程以及材料本构关系的率相关性,同时还能够反映材料的峰值强度、残余强度特征。     

非饱和压实土率敏性及蠕变时效特征试验研究

为研究部分饱和状态下高填方回填土工后长期变形,对非饱和压实土在可控基质吸力下分别开展率敏性和蠕变试验,并分析两者间时效对应关系。率敏性试验采取不同加载速率的三轴剪切,分析基质吸力（0、100、200、300 kPa）、加载速率（0.40、0.02 mm/min）以及超固结比（1、4和8）对土体强度和变形特征的影响,并确定三轴剪切蠕变的三级加载应力水平为抗剪强度的0.45、0.65、0.85倍;在4种可控基质吸力（0、100、200、300 kPa）下参考陈氏加载法,按三应力水平分级加载开展非饱和压实土三轴剪切蠕变试验。试验结果表明：随着基质吸力的增加,其率敏性参数ρ 减小,其率敏性降低;随着基质吸力逐渐增大,其蠕变初始最大速率、稳定蠕变速率以及蠕变变形量均显著减小;蠕变试验确定的应变速率−应变关系线与率敏性试验获得的应变速率−应变数据点基本吻合,证明两者间存在一定时效对应关系,且随着基质吸力的增大,这种时效对应关系更显著。     

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。     

泥质粉砂岩统一黏塑性模型的研究

统一黏塑性理论假设材料的应变仅由弹性应变和黏塑性应变组成。包含应力的黏塑性应变率表达方式,可以清晰地体现岩石材料应力增长率随应变加载速率相关的特性、在持续的偏压下的蠕变特性以及在恒定的应变下的松弛特性,但微分方程表示的本构模型在实际运用中存在计算上的困难。将无损伤Lemaitre统一黏塑性模型转换成关于应力的积分形式,并运用一致渐进展开算法得到其近似解,最后建立了基于近似解的牛顿迭代格式。开展了不同围压条件下泥质粉砂岩的三轴松弛试验,并将试验数据用于黏塑性模型的参数反分析,结果表明模型能够较好地反映泥质粉砂岩在长期作用下的力学行为特征。     

结构性软黏土时效特性的一维弹黏塑性模拟

为了研究土体结构破坏对软黏土一维变形的时效特性的影响,在Bjerrum的等时间线体系基础上,提出了等黏塑性应变率线等黏塑性应变率线概念,建立了非结构性软黏土的一维弹黏塑性模型;为了描述土体结构渐进破坏特征,定义了结构性参数--结构应变,在非结构性模型的基础上推导了结构性软黏土一维弹黏塑性模型;讨论了通过试验法直接确定模型参数的方法,并利用新建模型对温州天然软黏土的一维常规压缩试验、天然Ariake 黏土的分级快速固结试验、结构性Berthierville黏土的一维等应变率压缩试验及长期蠕变试验进行模拟。模拟与试验结果的对比表明,该模型能较好地描述结构性软黏土一维压缩变形的时效特征。     

基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型及应力积分算法实现

为了描述天然软土的时间相依以及结构性特征,提出了一种能考虑土体超固结和结构性的实用弹黏塑性本构模型。它以Asaoka和Hashiguchi的上下负荷面作为某一应变速率下的参考屈服面,按照相对过应力的基本思路,新引入了两个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数 和 ,建立了以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,并给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。最终通过数值算例来验证模型的正确性以及应力积分算法的可靠性。结果表明：该模型能同时描述土体的率敏性、蠕变以及结构性特征,模型参数物理意义明确、易懂可测,预测结果与试验数据吻合良好,可用于复杂边值问题的有限元计算。     

饱和红层泥岩填料累积变形特性及安定界限研究

最优含水率下红层泥岩作为高速铁路路基填料的适用性已经在西南地区得到了初步验证,但饱和状态下红层泥岩填料的累积变形特性仍不明确。为此,开展了不同围压及动应力下饱和红层泥岩填料的动三轴试验,讨论了围压和动应力对填料累积变形特性的影响。结果表明：不同动应力幅值下,饱和红层泥岩填料的等效模量随振次增加,先迅速减小后趋于稳定。稳定后填料的等效模量具有应力水平相关性,随围压增大而增大,随动应力比增大而呈指数减小。不同动应力幅值下,填料变形可分为塑性稳定型、塑性蠕变型和增量破坏型3种类型。填料应变随振次增加而不再处于稳定阶段的应力状态定为塑性稳定界限应力状态。动应力进一步增加后,填料应变速率发生突增,对应的应力状态为塑性蠕变界限应力状态;塑性稳定与塑性蠕变界限应力状态对应的动应力比均低于静强度,且随围压增加呈指数衰减的规律。基床表层如用红层泥岩作填料,应考虑降雨的影响,并采取排水和改良措施以提高路基稳定性。     

基于模型理论和遗传蠕变理论的改良膨胀土非线性流变研究

为研究膨胀土非线性流变,取水泥改良膨胀土样进行长期一维压缩试验,得到了改良膨胀土在不同应力水平下的应力-应变等时曲线簇。将曲线反映的非线性流变分解为线性黏弹性蠕变变形、线性黏塑性蠕变变形和非线性黏塑性蠕变变形三部分。基于模型理论和遗传蠕变理论建立了各部分流变模型,其中在线性黏弹性蠕变变形和线性黏塑性蠕变变形部分采用模型理论建立元件模型,在非线性黏塑性蠕变变形部分运用遗传蠕变理论建立积分蠕变方程,结合试验数据拟合出材料和方程参数,用该模型得到的蠕变曲线与实测结果能较好吻合。     

考虑含水率的红层泥岩蠕变特性及改进伯格斯模型

为揭示西南地区广泛分布的红层泥岩在不同含水条件下的蠕变特性,采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机进行三轴压缩蠕变试验。试验结果表明,（1）随着含水率的升高和轴向荷载的提升,蠕应变量与瞬时应变量的比值整体上都呈增大趋势,比值范围为0.117～0.985,平均比值维持在0.348～0.480之间;（2）红层泥岩的初始、稳态和极限加速蠕变速率都随含水率的升高而增大;（3）红层泥岩的长期强度随含水率的上升而降低,量化比较发现红层泥岩的非线性蠕变程度随含水率的上升而越得到体现。研究了红层泥岩蠕变的非线性特征,提出一个黏弹性模量 ,并引入一个非线性黏塑性体,建立一个新的改进后的伯格斯（Burgers）模型。基于BFGS算法和通用全局优化法对蠕变试验曲线进行辨识,确定模型参数,并进行模型可靠性分析,验证了所建模型的正确性和合理性。     

考虑含水率的红层泥岩蠕变特性及改进伯格斯模型EI北大核心CSCD

为揭示西南地区广泛分布的红层泥岩在不同含水条件下的蠕变特性,采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机进行三轴压缩蠕变试验。试验结果表明,(1)随着含水率的升高和轴向荷载的提升,蠕应变量与瞬时应变量的比值整体上都呈增大趋势,比值范围为0.117~0.985,平均比值维持在0.348~0.480之间;(2)红层泥岩的初始、稳态和极限加速蠕变速率都随含水率的升高而增大;(3)红层泥岩的长期强度随含水率的上升而降低,量化比较发现红层泥岩的非线性蠕变程度随含水率的上升而越得到体现。研究了红层泥岩蠕变的非线性特征,提出一个黏弹性模量E(ω),并引入一个非线性黏塑性体,建立一个新的改进后的伯格斯(Burgers)模型。基于BFGS算法和通用全局优化法对蠕变试验曲线进行辨识,确定模型参数,并进行模型可靠性分析,验证了所建模型的正确性和合理性。     

基于模型理论和遗传蠕变理论的改良膨胀土非线性流变研究EI北大核心CSCD

为研究膨胀土非线性流变,取水泥改良膨胀土样进行长期一维压缩试验,得到了改良膨胀土在不同应力水平下的应力-应变等时曲线簇。将曲线反映的非线性流变分解为线性黏弹性蠕变变形、线性黏塑性蠕变变形和非线性黏塑性蠕变变形三部分。基于模型理论和遗传蠕变理论建立了各部分流变模型,其中在线性黏弹性蠕变变形和线性黏塑性蠕变变形部分采用模型理论建立元件模型,在非线性黏塑性蠕变变形部分运用遗传蠕变理论建立积分蠕变方程,结合试验数据拟合出材料和方程参数,用该模型得到的蠕变曲线与实测结果能较好吻合。     

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。     

泥质砂岩蠕变特性与锚固控制效应试验研究

通过泥质砂岩单轴压缩蠕变试验,揭示岩石蠕变变形与破坏的特点,反映了不同应力路径下的岩石蠕变速率与发展过程,建立了泥质砂岩的非线性蠕变模型,并通过对试件施加侧向刚性约束和锚固约束,以反映地下工程围岩在平面应变状态和支护状态下的蠕变特性。研究结果表明,锚固约束可以显著提高岩石发生稳定蠕变的应力阀值,减缓蠕变速率。根据改进的蠕变方程进行试验数据的拟合,确定了改进的西原模型蠕变方程中的各物理量。与单轴蠕变试验结果对比表明,该模型的计算结果与试验数据吻合较好,说明改进的西原模型可较好地反映岩石加锚后的蠕变特征。研究结果对深部地下工程围岩的变形与稳定控制研究具有重要的指导意义。