岩土非线性流变本构模型的辨识算法研究

从岩土非线性流变本构模型通式——P.Perzyna方程出发,研制了岩土工程围岩流变本构模型辨识用有限元计算程序EVP2D,并将其和均匀设计(UD)法结合,获得了用于ANN辨识模型训练用的具有丰富本构信息的全局性输入输出有效数据。尔后,设计了基于实际监测位移数据辨识围岩流变本构模型参数的ANN模型,并在matlab软件平台中研制了辨识用相关程序CYJBS3.M。有关实例验证,从待辨识参数向量UD设计、训练数据的有限元计算获取、ANN模型的训练和辨识这一整体计算过程的实现,表明了UD-FEM-ANN本构模型辨识方法的可行性。     

滨海软土非线性流变模型及其工程应用研究

基于室内一维固结蠕变试验,研究了天津滨海淤泥质软黏土的蠕变变形规律,建立了反映滨海软黏土的非线性流变本构模型,确定了模型中的各个参数。通过此本构模型推导出天津软黏土的沉降计算公式,利用该公式对天津滨海地区北塘水库大坝软土堤基进行了沉降计算和分析,计算值与实测值比较吻合,证明了流变模型的合理性,同时也说明在软土地基沉降计算中,考虑非线性流变性状的影响是必要的。并对天津滨海新区软土长期蠕变沉降作出预测。     

结构性吹填软土流变等时曲线研究

软土普遍存在结构性,结构性影响土体各种力学行为。对天津滨海新区结构性吹填软土进行三轴流变试验,通过对比分析原状土与重塑土流变等时曲线发现,结构性吹填软土流变等时曲线可分离为线性粘弹性变形、线性粘塑性变形与非线性粘塑性变形。在应力小于结构屈服应力时,流变等时曲线线刚度大;超过结构屈服应力时,伴随着土结构的破损,流变等时曲线线刚度逐渐减小,最终趋于一定值,与重塑土接近。结构性对流变等时曲线的影响主要集中在线弹性阶段,进入塑性阶段后影响较小。     

海相沉积软土蠕变BP神经网络本构模型

海相沉积软土具有很强的蠕变特性,传统分级构建蠕变本构模型方法不实用,且很难真正反映岩土流变的非线性特性。为此,本文引入具有超强非线性映射和容错能力的BP神经网络模型,通过改进BP算法,根据江门软土的室内直剪蠕变试验结果,建立了海相沉积软土BP神经网络蠕变本构模型,避免了传统方法为满足试验曲线变化规律和蠕变特性而需要建立复杂的本构数学表达式。最后,利用上海地区软土蠕变实验结果对本文提出的方法进行了验证,并对BP神经网络蠕变模型在描述软土流变方面的特点进行了讨论。结果表明,本文建模方法简单,并能很好地描述软土的非线性蠕变问题。     

吹填软土经验流变模型研究

传统的本构模型多是在重塑土或饱和砂土的基础上建立起来,考虑结构性影响较少。自然界中土体大多具有结构性,这样就使得按传统方法计算的结果与工程实际有一定的差别。基于此,本文以Mesri模型为基础,将结构损伤变量引入模型中,建立了考虑结构性影响的流变模型。通过对天津滨海新区吹填场地经过真空预压处理的结构性吹填软土进行三轴流变试验,分析比较计算结果表明,本文建立的模型能够较好地反映结构性软土的应力应变随时间的变化关系。     

软土流变的物质基础及流变机制探索

采用改进的直剪蠕变仪,研究结合水对软土流变性质的影响。在相同试验条件下分别完成了含高岭土、膨润土不同重量百分比2组烘干试样和1组砂土的流变性质测试。测试结果与近期已取得的试验成果对比分析表明,结合水是产生土样流变性质的重要因素;烘干试样的黏滞系数均比与其矿物成分相同的湿土试样的黏滞系数大,砂土试样的黏滞系数比湿黏土的黏滞系数大,即烘干土样与砂土土样流变变形阻力相对湿黏土的大,流变现象相对不明显。在试验基础上,探索了控制软土流变特性的物质基础,提出了“流变物质”概念,“流变物质”与软土的流变性质互相对应,是软土产生流变的主要物质基础,并给出了与其力学性质相适应的流变机制的软土流变特性的物理描述。     

软岩三轴卸荷流变力学特性及本构模型研究

以典型软岩－泥质粉砂岩为研究对象,进行了不同应力水平下的恒轴压、分级卸围压室内流变试验。试验结果表明,软岩在卸荷条件下的轴向及侧向流变变形较大,各向异性显著。在恒定围压较高时,轴向流变变形较大,而随着围压逐级降低,侧向流变变形发展较轴向更快,试样在破裂围压下的侧向变形远大于轴向。通过深入分析软岩卸荷流变试验成果可知,线性Burgers流变模型能较好地反映各级围压下流变曲线的衰减流变及稳态流变阶段,但对于破裂围压下的非线性加速流变阶段无法描述。基于上述分析,建立一个非线性损伤流变模型,采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对试验结果进行拟合,并获得软岩的非线性流变参数。经比较,拟合计算与试验曲线吻合程度很高,说明该流变模型能较好地反映软岩卸荷流变各阶段的曲线特征。     

动载作用下淤泥质软土流变模型与流变方程

淤泥质软土在动态载荷作用下具有黏弹塑性流变力学特性。在理论分析和测试基础上，建立了黏弹塑性流变力学模型，并推导了新的流变方程和动态黏弹性流变参数。研究结论对分析动态载荷作用下软土流变力学响应与稳定性，探索软土加速流变并导致岩土地质灾害的动力学机制等具有重要的理论意义，对维护岩土工程的安全性等具有重要的工程意义。     

交通荷载作用下结构性软土动本构关系的试验研究

基于大量动三轴试验,针对滨海新区结构性软土,研究了其动应力-应变、动模量和阻尼比变化规律,并对振动波型、加荷频率以及固结应力比等影响因素进行了深入的研究,得出了如下的结论：振动波型对于结构性软土的动应力-应变类型影响不大,但是最大动弹模量 和动剪切模量 的相差可达2.5倍左右;结构性软土具有明显的频率效应和门槛振动频率;半正弦波型条件下,当围压小于结构屈服压力时,最大动弹模量 随固结比的增加而递减,超过某一应变幅值时,最大动弹模量 将随着固结比的增加而减小;偏压状态下,低应变条件下固结比越大,阻尼比越大,当应变值超过0.004以后,随应变值的不断增大,固结比越大,阻尼比反而越小。所得出的结论对工程应用具有一定的指导意义。     

考虑结构性与排水条件的吹填软土的流变特性

软土普遍具有结构性与流变特性。以天津滨海新区吹填场地有一定结构性的吹填软土为研究对象,通过三轴流变试验仪,开展了排水条件以及结构性对其流变特性影响的研究。试验结果表明,排水条件对流变有明显影响。不排水时,流变变形大;排水时,虽然总变形量大,但固结变形占较大比例,流变变形比例小,实际工程实践中可通过增加土体的排水条件减少流变的影响。结构性对土体流变的影响主要体现在所受外部荷载与结构屈服应力大小之间的关系。当外荷载小于结构屈服应力时,流变变形小;当外荷载大于结构屈服应力时,伴随着土结构的破坏,流变变形明显增大,但还是小于同条件下无结构性的重塑土。     

山涧软土的流变工程特性试验研究

山涧软土是广泛分布于山谷和沟壑之中软弱土层,其变形特性对路基的沉降有直接影响。现场取样后借助多种室内试验手段,对衡-炎高速公路部分路段的软土进行室内流变试验,对流变曲线进行分析,找出了符合山涧软土流变特性的几个流变本构模型,并通过待定系数法求得模型参数。山涧软土的流变的规律为：砂质山涧软土的蠕变处于衰减稳定的相对应力范围比较大,砂质山涧软土的流变特性最不明显,在近似情况下,可以不考虑流变;淤泥质山涧软土蠕变曲线的形式随着应力水平的变化比较剧烈,随着应力水平的提高,等速蠕变曲线的斜率越来越大;粉质山涧软土的不同应力水平的等速蠕变曲线几乎具有相同的斜率,而且每一级应力水平下的蠕变变形也较小。因此研究淤泥质山涧软土的流变特性最为重要,在研究山涧软土的流变特性时,应以淤泥质软土为重点。研究成果可对路基填筑过程中山涧软土的处理和路基工后沉降评估提供参考。     

Stress history effects on 1‐D consolidation of soft soils: a rheological model

Stress history plays an important role in controlling the consolidation behavior of soft clays, but few models exist that can provide quantitative estimate of its influence. In this paper, the Gibson–Lo rheological model is used to simulate the coupled processes of drainage and creep of soft soils that takes stress history into account. A hybrid combination of analytical and numerical methods is adopted to solve the governing equations of consolidation with the nonlinear rheological model. The methodology is applied to a saturated soft soil subjected to surface loading. The soil profile is separated into normally consolidated and overconsolidated layers by a boundary that is allowed to move. Comparisons of the model predictions and its simulations are used to evaluate the effects of stress history, model parameters, and loading pattern on consolidation behavior. It is shown that stress history influences the location of the moving boundary, variations of the profiles of excess pore water pressure dissipation, stress and deformation‐based average degrees of consolidation. Parametric studies conducted show that when soil is stiffer, the excess pore water pressure dissipates much more quickly, and thus the soil consolidates much faster especially at the early stages. The results also show that soil viscosity influences the deformation‐based average degree of consolidation at the latter stages. The consolidation process of soil layer under linear loading is shown to lag behind those under instantaneous loading: the longer the loading period is, the smaller the average degrees of consolidation are no matter how they are defined. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

软黏土在循环荷载作用下动力本构模型的研究

针对软黏土在循环荷载作用下的变形特性,即几乎不存在纯弹性变形阶段及应变趋于零时仍存在能量耗散,结合软土地铁车站振动台模型试验中对饱和软黏土进行的动三轴试验,利用边界面模型理论建立了软黏土的黏弹塑性动力本构模型。并进一步利用该模型对自由场振动台试验进行数值模拟计算,计算与试验的结果基本吻合。该本构模型可用于循环荷载作用下软黏土的动力响应分析。     

天津滨海新区软黏土的蠕变特性及无屈服面模型研究

天津滨海新区大部分为围海造陆形成的陆域,主要为吹填土经真空预压加固的软黏土地基,具有鲜明的地域特征。其蠕变特性对该地区的建筑物和构筑物地基的变形和长期稳定性有很大影响。采用大直径原状试样进行了三轴不固结不排水蠕变试验,研究了滨海新区软黏土的蠕变变形的规律性。在此基础上建立天津滨海新区软黏土的无屈服面蠕变模型,该模型只有5个参数,各参数物理意义明确,且可以通过试验确定。采用建立的模型对试验结果进行对比分析,理论模型计算结果与试验数据的拟合曲线吻合较好。该模型可用来对软黏土地基上结构物的长期蠕变变形的发展趋势和地基稳定性进行预测。     

考虑流变性状的软土地基固结有限元分析

对具有流变性状的软土地基固结特性进行了研究,编制了相应的有限元程序。利用该程序对某高速公路软土地基固结问题进行了计算和分析。通过计算结果与实测结果的对比可得到以下结论：在软土地基的固结变形计算中,考虑流变性状的影响是必要的,其计算值与实测值比较吻合。     

真空-堆载预压作用下软土蠕变特性试验研究

采用改进的、可施加负压的三轴仪开展了真空预压、堆载预压以及真空-堆载联合预压作用下软土的固结蠕变试验,描述了加载率、应力比和时间等对软土蠕变特性的影响,分析了轴向应变（率）、体积应变（率）及偏应变（率）与应力比和时间之间的关系。结果表明：轴向应变率和体积应变率与时间的对数关系并非线性,但经过若干天以后可近似认为是线性关系;在不同应力比n下,体应变与时间的关系可用双曲线方程来表示;偏应变、偏应变率与时间的关系符合双曲线方程,通过温州软黏土样的蠕变试验结果验证了其有效性。     

考虑流变效应的高地应力软岩隧道断面形态优化研究

高地应力软岩隧道围岩流变效应明显,形变压力导致的仰拱和边墙连接处的应力集中是导致隧道底鼓破坏的重要原因,合理的隧道断面形态有利于减小应力集中,保证隧道长期安全运营。在考虑软岩流变效应的情况下,以有限元软件ABAQUS为平台,通过Python编程实现隧道断面参数化设计和有限元计算,基于结合罚函数的Nelder-Mead函数建立隧道断面优化算法,并以隧道开挖面积,隧道最大仰拱隆起,围岩蠕变损伤区面积,衬砌最大轴力和衬砌最大弯矩为优化目标,对宜-巴（宜昌至巴东）高速峡口隧道断面形态进行优化,为高地应力软岩隧道断面设计提供科学指导。     

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。     

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。