人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

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。     

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。     

湛江黏土的蠕变模型与变参数塑性元件

湛江黏土的蠕变变形在低偏应力下较小,其蠕变等时曲线没有明显的屈服特征而近似为直线,表现为线性蠕变性状;当偏应力达到某一临界值后,在短时间内发展到加速蠕变阶段并发生破坏。从湛江黏土蠕变各阶段的变形机制出发,通过引入服从Mohr-Coulomb塑性流动规律的变参数塑性元件,将该塑性元件与广义Kelvin模型串联,提出描述蠕变全过程的黏弹塑性模型。同时将该模型在FLAC3D中进行二次开发,与FLAC3D中自带的Cvisc模型进行对比验证,结果表明,基于变参数塑性元件的黏弹塑性模型能较好地描述湛江黏土各个蠕变阶段的变形性状。     

采用分数阶导数描述软黏土蠕变的模型

按遗传流变理论来推导软黏土的蠕变模型,提出了一种新的蠕变核函数形式的选取方法,即用修正Burgers模型的导数形式作为蠕变核函数,随着参数取值的不同,该经验模型能模拟蠕变发展到不同阶段的蠕变曲线,探讨了该模型能精确描述软黏土的蠕变变形的原因,模型具有参数少、物理意义明确,适用性强的特点,能有效地描述湛江软黏土的蠕变特性。该研究内容也是对分数阶微积分进行应用研究的一种新的尝试。     

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。     

抛物线型屈服面人工冻土蠕变本构模型研究

利用自行研制的W3Z-200型冻土三轴压缩蠕变仪,对淮南地区深表土冻土进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,提出以标准黏弹塑性模型为基础,并耦合温度自由度,应用抛物线型屈服准则对模型中的黏塑性项进行改进,建立了新的本构模型来描述高围压复杂应力状态下冻土的蠕变变形特征。基于ADINA有限元软件平台,开发了冻土本构子程序。对淮南某冻结井筒开挖过程进行了数值模拟,计算结果验证了冻土抛物线型黏弹塑本构模型的正确性和合理性。     

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。     

改进Koppejan蠕变模型及其应用

将基于固结试验建立的Koppejan蠕变模型应力-应变-时间关系改进为增量形式,并泛化到三维应力空间,建立了改进的Koppejan蠕变模型。基于ABAQUS软件对改进模型进行二次开发,采用上海软黏土的长期固结试验结果对模型进行验证,结果表明,Koppejan模型能较好地描述上海软黏土的蠕变特性,且改进Koppejan模型的计算精度比经典Koppejan模型高,两种模型应用于淤泥质粉质黏土的计算效果均比粉质黏土好。将改进Koppejan蠕变本构模型应用于某高速铁路桥梁桩基长期变形的三维有限元分析,与现场实测沉降的对比表明,改进Koppejan模型能较好地应用于实际工程的长期变形计算,且计算效果较好。     

改进的西原模型及其在ADINA程序中的实现

通过对现有流变模型的分析及大量的冻土单轴蠕变试验表明：可以用非线性牛顿体替代线性牛顿体对西原模型进行改进。利用Mises屈服准则推导出用于数值计算的黏弹塑性材料柔度矩阵,并成功地添加到了ADINA有限元程序中。通过对淮南某深表土冻结井筒开挖过程的数值模拟和现场实测数据对比表明：改进的西原模型用于深井冻结壁的有限元计算分析是可行的。     

厦门海底隧道围岩流变特性及其特征曲线

厦门海底隧道是我国建设的第一条海底公路隧道,其穿越的F1,F2,F3,F4共4条断层破碎带,洞体围岩软弱、破碎,流变属性十分明显。对该类岩石进行了室内三轴压缩流变试验。试验结果表明,幂律型蠕变模型可以用来较好地模拟该类岩石除第三阶段蠕变以外的蠕变行为,并得到幂律型蠕变模型的相关流变参数。将幂律型蠕变方程和Drucker-Prager屈服准则相耦合来描述岩体的非线性黏弹塑性特性,应用数值方法研究了该隧道围岩的变形特性及其特征曲线。     

A frozen soil creep model with strength attenuation

A frozen soil creep model with shear strength attenuation was proposed based on a soft soil creep model. K ₀ compression and triaxial shear tests were conducted to obtain the model parameters. With triaxial creep tests, the performance of soft soil creep model was verified at first. It was shown that different creep stages can only be described separately, which was due to a constant failure line used in the model. After incorporating strength attenuation into the original model, relative position between stress point and failure line is time dependent, and the progressive development of creep strain from primary to tertiary stage can be captured reasonably.     

考虑排水条件的软土蠕变特性及模型研究

为了研究珠江三角洲软土在不同的排水条件和应力水平下的蠕变特性,进行了一系列室内三轴排水及不排水蠕变试验。试验结果表明,在排水情况下软土的瞬时变形大,而蠕变变形小,而在不排水情况下蠕变随时间的发展更为显著。在工程中可以提高软土地基的排水性能,来减小蠕变破坏的可能性。引入Singh-Mitchell蠕变方程,建立了珠江三角洲软土排水和不排水的Singh-Mitchell蠕变模型,其中应力-应变关系采用指数函数,应变-时间关系采用幂函数。该模型较好地表达了土体的应力-应变-时间关系。随着排水条件的改变,模型参数的取值有着较大的变化,其原因可归结为,在不同的排水条件下土体的应变-时间关系和应力-应变关系均有很大的不同。     

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。     

一种分析软土黏弹性的分数导数开尔文模型

软土是一种黏、弹、塑性材料,采用分数微积分模型来研究软土的蠕变规律目前尚未见到。选取了珠江三角洲南沙地区典型软土作为研究对象,在对其进行大量相关试验的基础上,采用含分数阶导数的开尔文模型来模拟该地区软土的蠕变规律,讨论了含分数阶导数的开尔文模型的蠕变柔量和松驰模量及其应用。与传统的开尔文模型相比较,分数阶导数的开尔文模型可以更好地拟合蠕变曲线,而且其形式简单、统一,在计算过程中需要调整的参数很少。可以预见,含分数阶导数的开尔文体在软土的流变本构研究领域及其计算中将有着广泛的应用前景。     

大岩淌滑坡滑带土蠕变性质研究

通过对大岩淌滑坡滑带土在固结压力为300,500,625,800,1 000 kPa下进行蠕变试验,得到了各级压力和剪切力的蠕变曲线。采用Burger模型来模拟流变过程,介绍了该模型参数的求取方法,并得到了模型的所有参数。通过等时曲线簇确定该滑带土的长期强度。在上述结果基础上,对该滑带土的流变特性进行了分析,讨论了Burger参数同剪切力与固结压力关系,并得出长期强度约为慢剪结果的0.76～0.77倍的结论。     

A Method for Modeling of a Creeping Slope with a Visco-Hypoplastic Material Law

This paper presents the numerical simulation of a creeping slope in Upper Austria, using a visco-hypoplastic material law which describes the mechanical behavior of cohesive soils allowing for viscous effects, i.e. creep and relaxation. The method consists of: (1) determination of the parameters of the material law, based on laboratory tests on soil samples taken from the slope; (2) simulation of the laboratory tests with an element test program in which the used material law was implemented, in order to test whether the model holds for the soils studied; and (3) simulation of slope movements at different sections along the slope, assuming an infinite slope. The simulation results fit well with the field measurements. This demonstrates that despite strongly simplified boundary conditions and limited availability of subsurface data (e.g. density) the visco-hypoplastic law is a promising tool for predicting creep movements.     

深厚冲积层人工冻土蠕变参数的模糊遗传反演

冻土的蠕变特性对深井冻结法施工至关重要。针对某矿区人工冻土在-5℃、-10℃、-15℃和-20℃下进行单轴抗压强度试验,发现冻土的抗压强度受冻结温度变化影响,两者间为线性反比例关系。通过小生境原理对传统的遗传算法作模糊随机改进,给出模糊遗传算法的步骤思路,进而运用该算法反演冻土蠕变模型中的参数值,获得各温度下的蠕变模型。试验结果表明：蠕变模型计算值在蠕变各阶段与试验值吻合较好,准确反映了冻土蠕变的整体规律。可见,模糊遗传算法能有效反演蠕变参数,较传统方法更符合工程实际。     

北京地铁国贸站隧道周围土体的蠕变试验研究

北京地铁10号线国贸站需穿过现有的国贸立交桥梁群桩基础,为研究该区域土体的流变性质对隧道-土层-桥梁基础及上部结构长期变形的影响,在室内进行了隧道周围土体的三轴排水蠕变试验,并给出了适合描述该土体蠕变性质的Mesri模型的参数。研究表明,隧道周围土体存在一定的蠕变特征,但稳定蠕变速率不大,偏应力较小时,Mesri模型的计算结果与试验结果吻合较好,而偏应力较大时与试验结果稍有差别,但该模型总体上能够较好地描述这一地区土体的蠕变变形特征。