软黏土蠕变模型参数的确定方法研究

土的蠕变问题进行数值分析一般都需要用黏弹塑性有限元的方法来求解,如何取参数是关键性的问题。软黏土的蠕变过程可能持续几十年甚至上百年的时间,而实验室中的实验一般只进行几个小时或者几天最多几个月的时间,因次,用短时间的实验数据来外推长时间范围的结果就显得非常重要。提出了利用实验数据估算软黏土蠕变模型有限元参数的方法,并利用黏弹塑性有限元程序计算天津港突堤蠕变问题的计算结果来分析模型参数的变动对蠕变问题的计算结果的影响。采用了所提出的参数分析和评价方法的黏弹塑性有限元系统被运用于多项工程计算中,取得了良好的效果。     

红黏土固结-蠕变特性及其耦合模型

红黏土的蠕变特性直接影响到红土边坡的长期稳定性。为了深入研究红黏土的蠕变特性,设计改制了一套基于杠杆加载原理的三轴蠕变试验装置。采用分级加载,对红黏土试样进行室内排水三轴蠕变试验,获得了不同偏应力水平下的蠕变全过程曲线,采用"陈氏加载法"将分级加载曲线转化成分别加载曲线,并利用等时曲线法得出红黏土蠕变破坏阈值。将固结理论与Kelvin蠕变模型相结合以描述红黏土在偏应力作用下的固结-蠕变特性,然后利用一部分偏应力水平下的蠕变试验结果进行回归建模以确定各模型参数,并以此建立出考虑固结-蠕变耦合作用的红黏土元件蠕变模型,最后采用所建蠕变模型对另一部分蠕变试验结果进行预测,结果表明:本文模型无论是拟合还是预测的精准度都很高。     

大理岩单轴蠕变模型参数

采用分级加载方式进行单轴压缩蠕变试验,获得大理岩的单轴压缩蠕变曲线。对比发现五元件Kelvin模型能较好的拟合蠕变试验曲线,取其作为大理岩蠕变模型。对同一应力水平下的蠕变曲线,取10 h、20 h、40 h和50 h四个蠕变时间段,用五元件Kelvin模型进行拟合,分别获得蠕变模型参数。拟合结果表明,蠕变模型参数在不同的应力水平下和不同的加载时间下都是变化的。当应力水平足够大(58 MPa),E2随加载时间的变化规律和E1刚好相反;当加载时间足够长(20 h)时,E2随应力水平的变化规律和E1刚好相同。当应力水平足够大(58 MPa),蠕变模型参数η1和η2始终随着加载时间的增加而增加。当加载时间足够长(=50 h),蠕变模型参数η1和η2始终随着应力水平的增加而增加。     

基于西原模型的变参数蠕变方程

岩石材料的蠕变具有明显的非线性特征,在蠕变模型中考虑蠕变参数随应力、时间等因素而变化是解决非线性蠕变问题的方法之一。试验已经证实,应力、时间及渗流等外部条件会引起岩石某些力学参数的改变,因此,将蠕变参数视为变量符合岩石材料的本质属性。以西原蠕变模型为基础,研究了各蠕变参数与应力及时间的关系。根据试验结果,通过非线性最小二乘法从蠕变试验数据中求出不同应力作用下不同时刻的各个蠕变参数,再根据参数随应力、时间的分布规律经非线性拟合得到各蠕变参数与应力及时间的表达式,进而可得到变参数的蠕变方程。蠕变参数的变化是岩石非线性特征的充分体现,从损伤力学的角度来讲,蠕变参数的变化反映了岩石内部损伤不断加剧、累积,材料特性不断劣化的演变过程。     

黏土的蠕变特性试验研究

研究了黏土的未扰动和重塑土样在三轴排水剪切试验条件下的蠕变特性。既进行了初始加载过程中的蠕变试验,也做了卸载与重复加载过程中的蠕变试验。试验结果表明：(1) 在初始加载过程中,经过一定时间蠕变后黏土的强度有很大的提高;(2) 在卸载过程中,随应力值下降黏土的蠕变表现出由正蠕变、中性蠕变到负蠕变的逐渐转化;(3) 在重复加载过程中,随应力值增加黏土的蠕变表现出由负蠕变、中性蠕变到正蠕变的逐渐转化。     

云母石英片岩蠕变模型参数选择研究

根据三轴蠕变试验曲线的特点,建立了云母石英片岩七元件线性黏弹塑性蠕变模型,采用最小二乘法对蠕变柔量时间曲线和应变时间蠕变曲线进行拟合确定蠕变模型参数,讨论了确定蠕变模型参数的影响因素及参数的合理性与可用性。结果表明：由于受到分级加载次数、初次加载应力值和加载时间的影响,两种曲线拟合确定的参数各不相同;云母石英片岩蠕变模型的非线性较明显;蠕变柔量时间曲线拟合确定的参数不予采用,应变时间蠕变曲线拟合确定的参数在各级应力水平下变化规律不明显;采用某种单一方法确定蠕变模型参数不够全面,建议采用综合辨识法,这样才能保证岩土工程中蠕变数值分析结果的正确合理性以及施工设计的安全可靠性。     

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。     

一种改进的岩石蠕变本构模型

岩石的蠕变曲线通常可以分为衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段。经典的岩石蠕变模型通常包含牛顿黏壶而不是非牛顿黏壶,它们不能描述岩石整个蠕变过程。提出一种改进的岩石蠕变模型,该过程分为3步。首先,用非牛顿黏壶代替Kelvin模型中的牛顿黏壶,给出一种修正的Kelvin模型用来描述衰减蠕变和稳态蠕变。其次,用一种非定常、非牛顿黏壶和塑性体并联的黏塑性体,给出一种经验函数用来描述加速蠕变。再次,用描述瞬时弹性应变的虎克弹簧、修正的Kelvin模型和黏塑性体的串联,给出一种改进的岩石蠕变本构关系及相应的蠕变函数。黏塑性体关闭时,所得蠕变函数可以描述衰减蠕变和稳态蠕变。黏塑性体开启时,蠕变函数可以描述包含加速蠕变在内的3个阶段的岩石蠕变。用给出的蠕变函数拟合了不同应力下的蠕变试验数据,都给出了较好的描述,说明模型具有一定的合理性和适用性。     

广义塑性梯度模型的变分原理和边界条件

在广义塑性力学的双屈服面模型的体积屈服面和剪切屈服面中引进应变梯度项,构造梯度依赖的双屈服面,可以建立广义塑性梯度模型的理论框架,此时的位移率 、剪切塑性乘子率 、体积塑性乘子率 成了各自独立的变量。为了建立相应的数值模型,构造了增量泛函,建立并证明了3类变量( , , )变分原理,得到应力边界条件,同时塑性乘子作为自然边界条件给出。     

软黏土蠕变试验及其经验模型研究

针对湖南竹城公路路基软土开展了系统的三轴固结不排水蠕变试验,得到不同围压、不同应力加载等级下的全过程蠕变曲线。进而通过“陈氏加载法”得到分别加载下蠕变曲线和应力-应变等时曲线。以围压100 kPa为例,得出应力-应变关系采用幂函数,而应变-时间关系采用双曲线关系的蠕变方程。对比分析表明,该蠕变方程较Singh-Mitchell模型、Mesri模型更适应试验数据,能够更好地反映和预测该软土的蠕变特性。     

筑坝土石料的变参数Ramberg-Osgood 模型及其适应性研究

被广泛采用的等价线性黏弹性模型不寻求土体动应力-应变的具体表达式,无法给出能量耗散函数,为深入研究筑坝土石料动力变形机制带来不便。变参数Ramberg-Osgood模型（简称R-O模型）通过变动两个参数以适应土体动模量衰减和阻尼增长,并给出滞回圈的数学表达式。研究中讨论了变参数R-O模型的适应范围,发现该模型不适合描述土体的小应变动力特性,给出了筑坝土石料变参数表达式,绘制了与试验曲线相协调的应力应变滞回圈。可以看出变参数R-O模型能够较好地描述筑坝土石料的动力特性,为进一步研究筑坝土石料的动力耗散与变形机制奠定了基础。     

人工冻结黏土广义开尔文蠕变本构模型模糊随机优化

冻土的蠕变本构模型是冻结法建井的重要参考资料。在-5℃、-10℃、-15℃和-20℃下,针对人工冻结黏土进行不同应力等级的单轴蠕变试验,获得不同温度、不同应力等级条件下蠕变曲线的变化规律。通过模糊随机迭代搜索改进传统的Guess-Newton算法,得到模糊随机Guess-Newton算法步骤,利用改进的算法优化广义开尔文本构模型参数,获得各温度和应力下的优化蠕变模型。工程试验表明：模糊随机Guess-Newton算法能有效地优化广义开尔文本构模型参数,使模型更好地拟合冻土各阶段的蠕变值,准确地表征了冻土的蠕变特性,同时改进后的算法较传统的算法效率更高,收敛更快。     

掺砾黏土样的大型三轴流变特性试验研究

高心墙堆石坝的砾质土筑坝材料含有较大颗粒,又含有大比例的黏性土,渗透系数较低,试验需要用大尺寸的仪器。大尺寸试验排水、饱和困难、试验周期长、难度大,一直是试验工作的难点,在砾质土试样中预留砂芯加速排水饱和的方法可以有效地解决该问题。对掺砾黏土样进行了大型三轴流变试验,通过实测蠕变量和蠕变模型参数对掺砾后黏土样的流变特性进行了分析。研究结果表明,掺砾黏土样的蠕变量与时间关系呈现较好的幂函数关系,采用长江科学院蠕变模型可准确地描述其流变特性;在相同饱和状态下掺砾样的蠕变量和蠕变模型参数指标较低,说明掺砾起到了改善土样工程性状的功能;在均为土样或者掺砾样条件下非饱和状态的蠕变指标明显低于饱和状态下的蠕变指标,说明预留砂芯加速排水的方法起到了明显的作用,促进了试样的充分饱和。     

基于土壤属性的VIC模型基流参数估计框架

"异参同效"现象是水文模型参数率定过程中的一个难题。为了减少需要率定的模型参数个数,从而降低模型参数的相互作用,构建了利用土壤属性直接估计VIC(Variable Infiltration Capacity)模型3个基流参数的框架,并在3个位于不同水文气候条件下的典型流域中作了实例研究。传统的VIC模型参数估计方法需要率定6个参数;而在新的参数估计框架下,需要率定的模型参数从6个减少为3个。蒙特卡罗模拟结果表明新的参数估计框架提高了参数的敏感性。同时,新的参数估计方法模拟的径流过程和之前通过率定得到的径流过程差别很小。GLUE(Generalised Likelihood Uncertainty Estimation)方法分析得到径流模拟的不确定性结果表明:新的参数估计框架计算径流的90%置信区间要明显小于传统方法,而且对于低流量的模拟效果更加明显,也就是说采用新的参数估计框架可以显著降低径流模拟的不确定性。这种基流参数估计方法可以被应用于其他相似的水文模型中。     

一种基于广义塑性力学的硬化剪胀土模型

分析弹塑性模型的特点之后,提出了一种以塑性功w^p和塑性剪应为εs^p作为硬化参量的双屈服面模型,它可以较好地反映硬化剪胀土的变形。模型符合广义塑性力学,可能方便地用于有限元计算。     

锦屏二级水电站岩石夹层非定常参数剪切蠕变模型及参数识别研究

通过对锦屏二级水电站岩石夹层的剪切蠕变试验结果分析,提出了非定常参数的Burgers蠕变模型。由于对部分参数考虑了其值随时间改变的特性,该模型不仅能够反映岩石夹层的加速蠕变过程,而且能比定常参数Burgers模型更好地描述初始蠕变和稳态蠕变过程。由于非定常参数Burgers模型的参数较多,参数辨识不宜采用迭代法或者最小二乘法等线性优化方法,而采用基于随机搜索的粒子群算法,并取得了较好的效果。     

考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究

以北山花岗岩为研究对象,采用MTS815岩石力学试验系统开展不同温度条件下的蠕变特性试验研究。考虑温度对花岗岩特征参数的影响,结合岩石蠕变破坏过程中的损伤演化规律,提出了一种新的高温损伤流变元件。通过将高温损伤流变元件代替经典西原模型中Newton元件的方法,构建了能够描述不同温度条件下花岗岩蠕变全过程的本构模型。分析了不同温度条件下花岗岩单轴蠕变试验结果,确定了模型参数,获得了温度对花岗岩蠕变关键参数的影响规律。通过对花岗岩高温蠕变模型进行参数敏感性分析,揭示了弹性模量、黏性系数等关键参数对花岗岩蠕变特性的影响规律,并验证模型在不考虑温度及损伤的影响条件下可退化为经典西原模型。研究表明,建立的花岗岩高温蠕变本构模型可以准确地描述花岗岩典型蠕变全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段。黏性系数受损伤的影响越大,花岗岩的稳定蠕变阶段越短,越容易发生加速蠕变。