网纹红土分级加载与分别加载蠕变试验研究

由于试验条件的限制,目前国内外学者大都是采用分级加载对蠕变进行研究,而分别加载很少被采用。为了解决分级加载的土样硬化问题以便得出更符合工程实际的分别加载蠕变,本文对网纹红土未扰动土样进行了在分级加载条件下和分别加载条件下的初始加载、卸载、重复加载的单向固结蠕变试验。试验结果表明,网纹红土未扰动样在每级应力水平下都发生了明显的蠕变,蠕变随应力的增加而增加。对比两种不同加载条件的蠕变试验结果发现,无论是分级加载条件下还是分别加载条件下,网纹红土未扰动样的蠕变时间与蠕变变形的比值跟蠕变时间都存在线性关系;并且分级加载条件下这种线性关系的斜率与分别加载条件下线性关系的斜率也存在线性关系。对研究结果的分析表明,可以利用分级加载的蠕变变形的稳定值推算出分别加载的蠕变变形稳定值。     

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。     

分级连续加载条件下原状膨胀土固结变形研究

由固结系数Cv与有效应力 和孔隙比的关系,推导了考虑固结系数变化的分级连续加载固结控制方程。根据方程的解析解得到了分级连续加载的沉降计算公式。结合云桂高速铁路建设,以高路堤分段堆载方式为研究依据,在GDS三轴试验系统开展原状膨胀土分级连续加载K0固结试验。结果表明：沉降与时间关系在加载期呈折线式发展,稳载期呈双曲线变化;膨胀土的应力-应变关系呈阶梯式变化;当 ≤ 时,固结系数随有效应力呈先增大而后减小,当 ＞ 时,固结系数随有效应力呈波动持续减小。固结度理论计算值与试验结果相比,考虑固结系数变化的固结度计算比固结系数为定值更准确。分级连续加载沉降计算公式可作为分析高速铁路路基沉降-时间关系的参考方法。     

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。     

孔隙水压力分级加载砂岩蠕变特性研究

采用RLW－2000 M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石孔隙水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性及模型研究,重点分析了孔隙水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变（应变速率）、等效孔隙体积（体积速率）演化曲线,同时对不同孔隙水压力分级加载条件下的岩石蠕变演化曲线进行了模型分析和对比。试验结果表明,逐级加载孔隙水压作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化3阶段特征;分级加载水压力的孔隙体积演化规律符合微孔洞的损伤过程的3个阶段规律;利用西原体模型进行理论与试验蠕变曲线对比,蠕变方程曲线与试验曲线的演化规律吻合。     

淤泥质软土流变参数及BP神经网络模型研究

测试了淤泥质软土的流变参数,分析了粘粒含量、含水率等因素对初始剪切力、粘度等流变参数的影响特性和变化规律。根据测试结果和神经网络理论,建立了流变参数BP神经网络模型,确定了模型的结构参数。用该模型预测新样品的流变参数,并与实测数据对比,结果表明预测准确率达90%以上。     

龙滩水电站泥板岩剪切流变力学特性研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站泥板岩进行了剪切流变试验,分析了泥板岩剪切位移随时间的变化规律,探讨了不同应力状态下剪切流变速率的变化趋势,讨论了岩石剪切强度随时间的变化规律。将非线性流变元件(NRC模型)与西原模型串联起来,建立了新的能够描述加速流变特性的岩石非线性流变模型。采用泥板岩剪切流变试验曲线,对建立的黏弹塑性剪切流变模型进行了辨识,获得了岩石黏弹塑性剪切流变模型的材料参数,流变模型与试验结果的比较显示所建模型的正确性与合理性。     

结构性软土非线性流变本构关系模型的研究

以营口淤泥质粉质粘土为研究对象,基于一种简化的非线性流变模型的建模方法,根据三轴压缩蠕变试验的结果,建立了营口淤泥质粉质粘土的非线性蠕变模型,计算表明:该模型较好地反映了该层软土的非线性流变规律.     

统一硬化模型与下加载面模型的理论关系

Hashiguchi下加载面本构模型是国际上具有较大影响力的超固结土本构模型之一。因此,选取该模型进行理论和构建方法分析,并与UH模型进行对比。对比结果表明,Hashiguchi下加载面模型通过定义单一的数学公式来拟合超固结土内变量的变化规律,从而得到了超固结土应力−应变关系的公式;而统一硬化（unified hardening,简称UH）模型掌握了超固结土体的强度特性,因而能够更准确、合理地描述超固结土的应力−应变关系。相较于Hashiguchi下加载面本构模型,UH模型在理论上更为先进。同时,两个模型的试验预测与试验数据的对比也验证了UH模型在数值计算上的正确性与优越性。     

循环加-卸载岩石本构模型研究

循环加-卸载岩石本构模型是预测压气储能洞室长期稳定性的关键,但目前还没有适用的本构模型,因此,提出了一种能够描述岩石循环加载和卸载的本构模型。鉴于岩石在循环作用下损伤不断累积,将基于Weibull分布的岩石损伤软化模型进行拓展,并用内变量疲劳本构模型描述每个循环的初始模量和卸载模量的变化,进而得到循环加-卸载作用下的岩石本构模型,然后将该模型与现有的试验结果进行对比。该模型物理意义明确,涉及的参数较少,且便于拟合。提出的循环加-卸载下岩石本构模型对试验数据拟合效果较好,能较准确地反映循环荷载上、下限值对应的轴向应变,也能反映出循环内部变形模量衰减的趋势。该模型的成功建立为循环加-卸载下岩石本构模型的研究提供了新思路。     

软岩流变的一种新力学模型

软岩在低应力水平下表现为弹性和粘弹性;在较高的应力水平下表现为弹性、塑性和粘弹性;在高应力水平下表现为弹性、塑性、粘弹性和粘塑性。为了对其进行全面描述,首先,提出了两种非线性元件-蠕变体和裂隙塑性体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合流变力学模型。然后,通过其采用的软岩蠕变的分级增量循环加卸载试验证明,该模型可很好地描述软岩在不同应力水平下的蠕变特性特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,可在工程实际中推广应用。     

循环荷载作用下盐岩微观结构变化及经验疲劳模型

为研究盐岩在循环荷载作用下的疲劳特性和微观结构变化,对盐岩试件展开了不同上限应力下的单轴疲劳试验;同时,利用SEM和NMR设备观测了盐岩试验前后的微观结构。结果表明：循环荷载作用下,盐岩内部裂纹发育以晶间裂纹的生成为主,且裂纹数量随上限应力比（上限应力与单轴抗压强度的比值）增大而增加。循环荷载作用后（12 000次循环）,盐岩内部大孔隙和总孔隙数量增加,小孔隙数量减少,且大孔隙和总孔隙增加的数量及小孔隙减少的数量均随上限应力比增大而增加。上限应力比为0.40且荷载循环次数N≤2 000次时,盐岩内部小孔隙、大孔隙和总孔隙数量均随荷载循环次数增加而增加;但小孔隙数量的增长速率大于大孔隙,此时盐岩孔隙结构变化以小孔隙萌生为主。上限应力比为0.40且荷载循环次数N >2 000次时,盐岩内部大孔隙和总孔隙数量仍随荷载循环次数增加而增加,而小孔隙数量不断减少,此时盐岩孔隙结构变化以大孔隙生成为主。通过求解S形函数反函数的方法,建立了一个形式简单、参数少,且能够描述盐岩累计不可逆变形发展全过程的经验疲劳模型,并利用盐岩疲劳试验结果验证了模型的合理性。     

单级等速加载下高压缩性软土非线性大应变固结解析解EI北大核心CSCD

饱和软土大应变固结理论涉及复杂的材料非线性和几何非线性问题,致使其解析解很难获得,但非线性大应变固结模型解析解的工程意义却不言而喻。目前土体非线性压缩和渗透特性通常采用e-1gσ’和e-1gkv(e为孔隙比,σ’为有效应力,kv为渗透系数)非线性关系描述。但大量室内固结渗透试验的结果表明,高压缩性软土发生较大应变时该非线性关系不再适用,而1g(1+e)-1gσ’和1g(1+e)-1gkv非线性关系却能有效描述高压缩性软土的有效应力、渗透系数与孔隙比间的非线性变化规律。基于此,建立了变荷载下高压缩性软土一维非线性大应变固结模型,并给出特定参数下该固结模型的精确解析解和普适条件下固结模型的近似解析解。将应用固结模型计算的沉降曲线与室内等速加载下的试验沉降曲线对比,验证了该解析理论的可靠性。在此基础上,通过大量的计算研究参数Ic和α、外荷载和加荷速率对固结性状的影响。结果表明:压缩指数Ic一定时,α越小,土层的固结速率越快,底部超静孔压消散越快;α一定时,Ic越小,土层的固结速率越快,底部超静孔压消散越快。按沉降定义的平均固结度Ust一般大于按孔压定义的平均固结度Upt,即沉降的发展速率要快于孔压消散速率。Ic(α-2)>1时,土层的沉降速率随外荷载的增加而减慢;Ic(α-2)<1时,土层的沉降速率随外荷载的增加而加快;Ic(α-2)=1时,土层的沉降速率与外荷载的大小无关。外荷载一定时,土层的平均固结速率随加荷速率增大而加快,同一深度处的超静孔压随加载速率增大而减小。     

软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低,流变性强,不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质,也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定,调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w,开展了一系列梯度配比试验。研究表明：（1）该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响;（2）松香酒精溶液浓度越大,试样强度越大,流变性越小;（3）液压油含量越大,试样强度越小,流变性越明显;（4）相比松香酒精溶液浓度m,液压油含量w对西原模型各参数的影响更大,起主控作用。最终,将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中,试验结果表明：该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供了材料保证。     

多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。     

岩石卸荷本构关系的BP神经网络模型

卸荷试验包括应力控制和变形控制两种方法。应力控制方式的特点是试验机必须对岩样一直进行轴向压缩,变形控制方式的特点是卸荷过程中试验机轴向不再对岩样压缩做功,岩样破坏是通过自身储存的能量实现的。本文利用BP神经网络,对采用变形控制方式的粉砂岩试样峰前、峰后卸围压试验数据进行训练,并建立了岩石卸荷本构关系的BP神经网络模型。结果表明,BP神经网络模型的模拟值与试验值非常接近,模拟效果比较理想。     

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。     

冲击荷载作用下岩石破坏机理预测

将岩石看作由彼此之间有内摩擦的颗粒团组成。利用力学模型分析了在冲击荷载作用下岩石破坏过程,阐述了岩石破坏后的力学行为。认为冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态。冲击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲击波的短波,在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生参数的急剧变化。根据岩石介质中粒子运动速度的强弱应力状态发生由弹性状态向内摩擦状态的转变,最终达到流体力学状态。