不同应力路径下砂土的神经网络弹塑性本构模型研究

基于多种应力路径下砂土的加载、卸载和再加载过程的三轴排水试验数据，研究了三种应力路径对屈服面的影响，其结果表明，不同应力路径对砂土的本构模型有着不可忽视的作用。在此基础上，建立了砂土的弹塑性神经网络模型，对相应路径下的本构关系进行了学习。实例分析表明，该模型能够很好地描述具体应力路径下的本构关系，神经网络建模方法具有方便、容错性强的特点，对岩土力学快速、高效数值方法的进一步发展具有重要的参考价值。同时，在这种弹塑性应力-应变关系中，笔者并没有使用塑性势函数，这在目前的弹塑性本构关系的建模中是一种新的尝试。     

干湿循环作用下压实黏土力学特性与微观机制研究

针对干湿循环作用下填埋场封场覆盖系统压实黏土防渗结构损伤等问题,系统开展了干湿循环作用下（室内模拟填埋场气候环境）压实黏土力学特性及微观结构特征试验研究,从微观层次揭示了压实黏土在干湿循环作用下变形特性和强度衰减内在本质。研究结果表明：随着干湿循环次数的增加,压实黏土初始变形段区间割线模量增加,末段区间割线模量大幅度降低,变化幅度随初始压实度的增加而增加;同时,压实黏土剪切强度呈减小趋势,但减小幅度随初始压实度和围压的增加而减小。经过3次干湿循环后,压实黏土发生不可逆的体积收缩,体积收缩比例随压实度的增加而减小,低压实黏土和高压实黏土的体积收缩20.5%和11.5%。同时,低压实黏土和高压实黏土的大孔体积增加25.7%和53.9%,微裂隙体积增加3.1%和41.7%,增加幅度随初始压实度的增加而增加。压实黏土不可逆的体积收缩致使土体更加密实,从而导致压实黏土初始切线模量和强度增加。同时,大孔体积增多和微裂隙的发育,导致压实黏土剪切强度和末端切线模量降低,干湿循环对不同压实度黏土力学特性影响是二者的综合表现。     

冻融循环作用下砂岩蠕变特性及损伤模型研究

青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。     

压剪应力作用下多裂隙岩体的力学特性：本构模型

本文从贝蒂(Betti)定理出发,考虑裂隙在压剪应力作用下的闭合效应,推导出有序多裂隙岩体的本构方程,同时采用数学弹性力学的方法,精确推导出传压系数的理论公式,并对传剪系数加以分析。     

酸性环境干湿循环对泥质砂岩力学特性影响的试验研究

由于库水位升降及降雨等原因,岩体经常处于干湿交替状态,对岩体工程的长期稳定性不利。以三峡库区泥质砂岩为研究对象,进行了酸性环境干湿循环交替作用后的常规单轴与三轴压缩试验研究,获得了泥质砂岩在酸性溶液浸泡干湿循环后的相关力学参数。相对于没有经过干湿循环作用的干燥试件,经过不同次数的干湿循环作用后,泥质砂岩的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力与内摩擦角都有不同程度的降低。各个力学指标的总体变化趋势是在第一次饱水之后有大幅度的降低,此后随着干湿循环次数的增加其降低的幅度逐渐减小。同时,酸性溶液的pH值对力学指标的影响很大,存在对泥质砂岩力学性能影响较大的一个临界pH值,低于此值酸性溶液对泥质砂岩力学性能影响显著增大,高于此值酸性溶液对其力学性能影响较小。     

实验研究砂岩的三轴流变特性及其本构

本文对取自雅砻江锦屏二级电站的砂岩开展三轴压缩流变实验,并分析了实验数据,得到不同偏应力条件下砂岩轴向应变、侧向应变、轴向应变率和侧向应变率随时间的变化规律。并用Burgers体来反映瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段的蠕变,进行了参数辨识,为工程围岩长期稳定性分析提供理论基础。     

酸性干湿循环作用下砂岩强度参数劣化规律

为研究酸性环境中砂岩在干湿循环作用下强度的劣化规律,在溶液pH值分别为7、5、3的浸泡环境中,对砂岩试样进行循环次数为1、5、10、15、20次的干湿循环试验。根据每个循环阶段后的强度数据,得到Mohr-Coulomb强度准则参数和Hoek-Brown强度准则参数,并对这些参数的干湿循环劣化效应做简要的分析。再根据应力空间中偏应力与强度准则参数的关系式,分别作出pH值为7、5、3的浸泡溶液作用下π平面上的破坏面随不同循环次数的变化图。结果表明：各准则参数随着干湿循环次数的增加呈下降趋势,循环次数较小时劣化较为严重,而后呈缓和趋势;pH值越低,劣化越严重,劣化效应由大至小依次为：单轴抗压强度、黏聚力、材料常数、内摩擦角;同一pH值浸泡环境中,循环次数较小时,π平面上的破坏曲线较为稀疏,循环次数越大,破坏曲线越密集;不同pH值浸泡环境中,pH越低,破坏曲面越小;偏应力与单轴抗压强度、黏聚力正相关,与材料常数、内摩擦角负相关。     

循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体本构模型

中国西部兴建的很多200～300 m高的堆石坝处于高烈度地震区。应力水平高时堆石体的颗粒破碎对其在循环荷载作用下的应力、应变特性有重要的影响。基于广义塑性理论,通过引入状态参数,建立了循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体的本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与堆石体在400、800、1 500、2 200 kPa围压作用时的试验结果对比,表明所提出的本构模型可以较好地模拟循环荷载作用下颗粒破碎时堆石体的动应力和动应变响应。     

复杂应力路径下流体饱和砂岩本构模型

高孔隙率砂岩在不同围压及被不同流体（水及油）饱和时表现出不同的应力-应变特性及不同的破坏过程。复杂应力路径下油和水饱和砂岩的力学试验表明,存在某一临界围压,随着围压的增加,饱和砂岩从以压剪破坏为主,逐渐转变为以孔隙坍塌破坏为主的破坏机制。通过力学试验结果的分析,以两种破坏理论对油和水饱和砂岩的破坏特征进行了力学解释,并应用经典塑性力学的盖帽模型建立了相应的本构模型,应用非线性有限元法进行了数值验证,研究结果表明,提出的模型与试验资料吻合良好,能较好地模拟复杂应力路径下油和水饱和砂岩的破坏机制及模拟注水采油引起的砂岩附加沉降。     

冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型

冻融交替对岩石宏观强度产生弱化。基于冻融循环条件下的压缩试验结果,利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化,建立岩土材料的损伤模型。结果表明:随着循环次数的增加,砂岩的力学强度参数均逐渐减小,抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到49.70%、83.40%,意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著;定义岩石综合损伤变量,得到损伤演化特征曲线,基于高斯函数变化特征,构建冻融循环条件下材料损伤本构模型,对比分析试验与模型曲线,发现该模型能够较好地描述试验结果。基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征,研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考。     

水化学溶液下灰岩力学特性及神经网络模拟研究

基于水化学溶液浸泡的饱和灰岩三轴压缩试验结果,分析了影响灰岩变形及强度等力学特性的主要因素,认为随溶液酸碱度增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势;相同pH值,Na2SO4溶液、蒸馏水和CaCl2溶液对灰岩强度的弱化程度依次降低;随着围压的增加,岩石强度逐渐增大,岩石到达峰值强度时的轴向变形也越来越大,塑性变形明显增加。考虑应力路径和化学溶液的影响,利用遗传算法优化神经网络结构,建立了进化神经网络本构模型。通过样本学习模型能较好地描述化学环境下灰岩的力学性能,5种不同化学环境下的力学试验验证了进化神经网络模型模拟结果的可靠性,该方法可以推广到化学环境下其他岩石的力学试验模拟。     

考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

Modeling the behavior of sandstone based on generalized plasticity concept

With the concept of generalized plasticity, a constitutive model for describing the deformation behavior of sandstone is proposed in this paper. This proposed model is characterized by the following features: (i) nonlinear elasticity under hydrostatic and shear loading; (ii) associated flow rule for pre‐peak simulation; (iii) substantial plastic deformation during shear loading; and (iv) significant shear dilation and distortion prior to the failure state. This model requires 10 material parameters, including three for elasticity and seven for plasticity. All of the parameters can be determined, in a straightforward manner, by the suggested procedures. The proposed model has been validated by comparing the triaxial test results of the Mushan sandstone under different hydrostatic stress, different stress paths, and cyclic loading condition. It is also versatile in simulating the deformation behaviors of two other sandstones. Upon slight modification of the model, the post‐peak behavior of sandstone can be reasonably predicted using proposed model. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑损伤阀值影响的钢纤维混凝土损伤本构模型研究

从室内试验得到的不同体积率下的钢纤维混凝土全应力-应变曲线的特性,探讨了损伤变量的变化规律及建立钢纤维混凝土损伤本构模型时考虑损伤阀值影响的必要性。基于连续损伤力学理论和统计强度理论,在传统的两参数Weibull分布函数基础上引入损伤阀值参数（位置参数）,建立可考虑损伤阀值影响的钢纤维混凝土损伤本构模型,该模型可以反映钢纤维混凝土在低应力水平或变形较小时的线弹性变形特性;根据经验确定损伤阀值参数后,通过混凝土应力-应变全曲线的几何条件求解Weibull分布函数另外两个参数的表达式。最后,基于MATLAB的分析计算结果,并通过与钢纤维混凝土单轴压缩试验实测结果对比,证明模型可以很好的反映单轴受压状态下钢纤维混凝土的应力-应变关系,探讨了损伤阀值取值的大小。     

考虑残余含气量的非饱和土的水力耦合本构模型

大量的非饱和土干湿循环试验表明,当土体处于吸湿过程直至吸力降低为0 kPa时,土体并不能达到完全饱和状态,还存在一定的残余气体。在高饱和度时,由于残余气体以封闭气泡的形式分布在土体中,土体呈现较大的压缩性,使其与饱和土的性质不同。在这种状态下,现有的非饱和土本构模型预测到的土饱和度为100%,与试验结果存在一定的偏差。为了使本构模型在高饱和度状态时具有较高的精度,对非饱和土的毛细滞回和塑性变形耦合本构模型进行了修正,使其能够考虑残余含气量的影响。通过预测与实测结果比较,证明了新模型能够有效地模拟残余含气量对非饱和土力学特性的影响。     

各向异性砂岩冻融力学特性研究

针对新疆天山公路岩质边坡的砂岩, 开展了单/三轴压缩试验和不同次数的冻融循环试验, 探讨了岩样强度和变形参数的各向异性随围压和冻融循环次数的变化规律, 分析了层理角度及冻融作用对岩样破坏模式的影响。结果表明： 岩样的弹性模量、 黏聚力、 内摩擦角和峰值强度均随着层理角度的增加呈现先减小后增加的U型发展态势, 在60°时达到最小值, 在0°或90°时其值最大; 岩样的强度以及变形参数随着冻融循环次数的增加逐渐减小, 随着围压的增加而增大; 不同层理角度岩样强度及力学参数的差异性随着围压的增加逐渐较小, 相应的岩样各向异性特性逐渐减弱; 随着冻融循环次数的增加, 岩样内部的裂纹不断扩展导致岩样各向异性程度逐渐增强; 不同层理角度岩样的破坏模式可归纳为穿越基质和层理面的竖向劈裂张拉破坏、 穿越基质和层理弱面的剪切破坏、 拉-剪混合破坏、 沿层理弱面的剪切滑移破坏、 沿层理弱面的竖向劈裂破坏等5种模式。研究成果可为寒区岩体工程相关研究提供参考和依据。