一种土层非线性本构模型参数的确定方法

提出一种合理确定土层非线性弹性本构模型参数的方法.以现今普遍实行的地基载荷试验为基础,依据遗传算法的组合优化理论,采用正演计算和遗传算法优化相结合的方式,建立了土层非线性弹性本构模型参数的确定方法;并依据某黄土场地地基载荷试验数据,实施了黄土土层非线性弹性本构模型参数确定的全过程.计算结果表明,所建立的方法可以实现土层非线性弹性本构模型中相互关联的多个参数的组合优化,并在对初始值要求较低的情况下,可以获得良好的参数反演精度.从而为土的变形特性分析和土与其中及相邻结构的共同作用分析,提供了较好的土体本构模型参数的确定方法.     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数验证

为了统一ABAQUS混凝土损伤塑性模型与规范提供的混凝土本构模型,在规范提供的混凝土本构关系的基础上引入损伤因子的概念,对混凝土损伤塑性模型本构关系参数的确定方法进行了研究。用各等级混凝土本构关系参数模拟结果与规范曲线的对比,验证CDP模型参数的正确性;用一混凝土剪力墙试验的模拟分析,验证本构关系参数用于结构分析情况下的可靠性。两种验证结果证明,给出的CDP模型参数确定方法是正确的,用该方法确定的参数进行结构模拟分析所得结果是可靠的,并指出了CDP模型的不足。     

岩石工程长期稳定性智能反馈分析方法及应用研究

 博士学位论文摘要：岩体流变是影响岩石工程长期稳定性的重要因素之一,对岩体流变的研究前人已作了许多工作,取得了丰富的研究成果,但模型识别和参数辨识上仍有一些不足。岩石是一种复杂的地质材料,其周围的地质环境和工程施工环境也是复杂的,而且是变化的,这使得人们对其认识很难一步到位,因此,对岩石介质进行反复认识是必要的。为此,提出一种岩石工程长期稳定性智能反馈分析法,该方法根据现场反馈信息,对岩体不断分析研究,必要时修正流变模型结构及其参数;该方法及时动态的将现场信息和地质分析模型联系起来,现场信息既是建模的重要依据又是验证模型正确与否的重要指标,而模型分析结果又能及时为设计、施工和长期稳定性维护提供合理建议。工程实例验证了方法的可行性、合理性与优越性：(1) 为了提高流变模型参数识别速度与精度,防止陷入局部最优,对遗传算法和粒子群算法进行了系统地研究,针对其不足,分别进行了改进,提出了压缩搜索空间与速度范围的粒子群优化算法(CSV-PSO)和自适应搜索空间的混沌遗传混合算法(SA-CGA)。实例表明2种改进算法的优化性能都是优越的,并对2种算法进行了参数敏感性分析,为算法稳定快速收敛提供了参数参考取值区间。(2) 针对流变模型辨识存在的不足,利用遗传规划算法(GP)善于动态处理模型结构的特点,提出了一种黏弹性组合模型自适应识别方法,该方法不仅仅局限于现有的几种流变模型结构,而是对组合模型的整个结构空间进行搜索,通过流变模型、GP结构树和流变本构方程之间的相互转换,实现了模型结构参数同时识别,不同于传统的模型识别算法。乌江构皮滩水电站的实例计算表明了该算法的可行性及在发现新模型中的鲁棒性,为黏弹性本构模型识别提供了一条的新途径。(3) GP算法进行模型识别时,将会产生许多流变模型,而目前数值软件包含的流变模型一般都是常用的几种经典模型,无法实现对GP算法产生的流变模型一一识别,为此,从黏弹性等效原理出发,推导了黏弹塑性统一本构模型有限差分方程,在C++环境下对FLAC进行了二次开发,实现了与GP算法程序的无逢衔接,并通过与FLAC已有模型对比验证了二次开发模型的正确性。以此为基础,结合CSV-PSO算法,提出了基于快速拉格拉日法的全局并行CSV-PSO流变模型参数反演方法。(4) 以自适应流变本构模型识别算法和基于快速拉格拉日法的全局并行CSV-PSO流变模型参数反演方法为基础,建立了动态更新数据、修正模型和参数的长期稳定性智能反馈分析系统,在VC++环境下开发了相应的软件,并对锦屏二级水电站辅助洞关键断面和龙滩水电站左岸高边坡流变模型和参数分别进行了反馈分析,获得了合适的流变模型及参数,并对其施工期与运行期的稳定性进行了分析,为工程施工、支护及长期运行维护提供了科学合理的建议。     

土工合成材料循环受载、蠕变和应力松弛特性的统一本构模拟

应用双曲线方程、修正曼辛准则(Masing rule)和过应力型粘塑性理论,建立了一种可以同时描述土工合成材料应力应变关系的非线性、循环荷载作用下的弹塑性和滞回性、蠕变和应力松弛的一维本构模型。这个本构模型的独特之处包括功能全面、随加载路径移动的蠕变界线、非线性流变特性、以及参数确定方法简单直观等,且它可以很方便的植入已有的有限元软件包中。该模型还可以蜕化为率无关的非线性循环受载模型,可以很简单的应用于非线性动力数值分析。本文应用几种土工格栅试验结果验证了所提出的本构模型。     

参数非线性理论流变力学模型研究进展及存在的问题

 对现有的参数非线性理论流变力学模型及其建立的方法进行系统的总结,归纳出处理参数非线性理论流变模型的3种方式：(1) 给出非线性流变部分的本构方程,推导出整个流变模型的本构方程,并进一步推导出包括蠕变方程在内的流变模型的其他方程;(2) 给出非线性部分的本构方程,推导出该部分的蠕变方程,并与常参数部分的蠕变方程叠加得到整个流变模型的蠕变方程;(3) 给出非线性流变部分的蠕变方程,与常参数部分的蠕变方程叠加,得到整个流变模型的蠕变方程。这3种方式可以对今后的研究给予指导。指出一些参数非线性理论流变模型和建立方法所存在的问题甚至错误,以免在今后的研究工作中犯类似的错误。     

红砂岩粗粒土流变工程特性试验研究

在自行设计的粗粒土单轴流变试验仪上,进行红砂岩粗粒土流变试验,分析红砂岩粗粒土的流变特性。流变试验结果表明,在比较低的应力状态（轴向应力σ≤0.8MPa）下,红砂岩粗粒土表现出线性黏弹性;在较高的应力状态（轴向应力σ〉0.8MPa）下,红砂岩粗粒土表现出非线性黏弹塑性。为描述红砂岩粗粒土的非线性黏塑性变形特征,提出一个新的双曲线型黏塑性体,将双曲线型黏塑性体与Burgers流变模型串联,建立一个新的红砂岩粗粒土非线性黏弹塑性6元件流变本构模型,该流变本构模型能很好描述红砂岩粗粒土的非线性流变特征。同时,通过红砂岩粗粒土流变试验曲线,采用改进的最小二乘拟合方法确定该流变本构模型参数;流变试验曲线和该流变本构模型的理论曲线进行对比,对比结果验证了该模型合理。     

高湿度Q_2黄土的非线性流变本构模型及参数

为满足逆作法施工的宝鸡火车站地下商场工程设计与施工分析的需要 ,根据土的非线性流变理论 ,通过对工程所在场地土的室内单轴和三轴流变试验 ,建立了高湿度 Q2 黄土的非线性流变本构模型 ,并确定了相应的模型参数。     

高湿度Q2黄土的非线性流变本构模型及参数

为满足逆作法施工的宝鸡火车站地下商场工程设计与施工分析的需要 ,本文根据土的非线性流变理论 ,通过对工程所在场地土的室内单轴和三轴流变试验 ,建立了高湿度 Q2 黄土的非线性流变本构模型 ,并确定了相应的模型参数     

根据长期单向压缩试验结果确定三维流变模型参数

将一维西原模型的应力–应变关系推广为三维应力状态的弹-粘弹-粘塑本构方程,以其竖向应变表达式作为基本方程,对长期单向压缩试验结果进行曲线拟合,从而确定该流变模型的本构参数。该方法简便快捷,所获参数物理意义明确,可推广应用于其它流变模型的参数确定。     

黏塑流变本构模型力学参数辨识研究

伴随着各种复杂地质条件,大型地下洞室围岩流变特性与其长期稳定性密切相关,流变本构模型是认识围岩流变力学特性非常重要的一个方面。流变本构模型力学参数是流变本构模型准确应用的一个首要条件。本文主要开展了三个方面的工作:(1)研究推导了岩体黏塑流变本构模型,对其力学参数进行了理论分析;(2)对砂岩进行了不同围压下瞬时三轴压缩试验和三轴流变压缩试验,得到了砂岩相关试验数据,其可以较好的反映砂岩的瞬时力学特性和流变力学特性;(3)基于不同围压下瞬时三轴压缩试验和三轴流变压缩试验,结合改进粒子群优化算法,对流变本构模型的力学参数进行了拟合优化,得到了不同围压下整体流变力学参数。与试验数据对比发现,拟合得到的流变模型力学参数可以较好的反映岩体的流变力学特性,可以为流变本构模型实际应用提供参考。     

锦屏水电站绿砂岩三轴卸荷流变试验及非线性损伤蠕变本构模型研究

 以锦屏二级水电站引水隧洞绿砂岩为研究对象,采用恒轴压、逐级卸围压的应力路径开展室内流变试验,研究卸荷条件下的轴向及侧向变形特征。成果表明：侧向塑性变形的发展速率明显比轴向快,岩样破坏前在侧向反应要比轴向更为明显。在对流变试验数据进行深入分析基础上,从材料损伤的角度出发,认为岩石流变力学参数随着黏性应变的负指数形式逐步弱化,从而建立起岩石损伤演化方程及变参数非线性Burgers模型。基于Levenberg-Marquardt(LM) 算法,以残差平方和为目标函数,对试验数据开展相应拟合,所获得的参数可较好反映蠕变曲线的非线性特征。经比较,计算曲线与试验点曲线比较接近,说明该流变本构模型能较好的反映出锦屏绿砂岩在卸荷条件下的衰减蠕变阶段和稳定流变特性。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

适用于节理岩体的新型黏弹塑性模型研究

在分析岩体变形特点和常用流变模型变形特性的基础上,提出与应力状态和时间相关的非线性黏性体。非线性黏性体在应力小于其极限值时,变形随时间增长而趋于稳定,当应力大于其极限值时,变形将随时间增长而急剧增大。将非线性黏性体引入传统Maxwell模型中,由改进的Maxwell模型与传统Kelvin模型和St.Venant塑性体串联得到新型五元件黏弹塑性模型。在五元件黏弹塑性模型中,改进Maxwell体中的弹性体和非线性黏性体分别模拟瞬时弹性变形和黏性流动变形,Kelvin体和St.Venant体分别模拟延滞回复和瞬时塑性变形。理论分析和试验验证表明,五元件黏弹塑性模型可以较全面地反映岩体变形特征,并可以反映岩体在低应力状态下流变趋于稳定、而应力水平超过其极限值后出现加速流变而破坏的流变规律。     

岩石锚固界面剪切流变试验及模型研究

 大量的试验和工程实践表明：锚固系统的失效多是发生在岩土体和注浆体的锚固界面上。为此开展锚固系统界面力学特性的剪切流变试验,以研究注浆体与岩石交界面的受力机制以及锚杆锚固力在界面剪切流变过程中的变化特征。通过试验表明：在剪切面方向,随着时间的增长,同级剪应力荷载水平下剪切变形有所增加;当剪切应力水平较低时,试样剪切流变表现出初期和稳态流变,当剪切应力值超过某一界限时,剪切流变还表现出加速流变破坏阶段;随着流变时间的增加,锚杆轴向应变值有一定的增加,锚固力呈现缓慢回升的趋势;在此基础上,提出一种基于经验的非线性剪切流变模型,该模型特别考虑法向应力对剪切流变的影响,并将流变模型参数定义成剪应力水平的函数,从而能很好地描述剪切流变的初期、稳态和加速流变整个过程;为进一步验证锚固界面本构模型的正确性,采用此界面流变模型对试样3进行数值仿真的剪切流变试验51 h,计算结果与试验数据非常接近,表明采用此模型是合理而有效的。     

深埋长大隧洞围岩非定常剪切流变模型初探

 针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞(埋深2 525 m,长19 km,宽13 m)围岩在开挖与运营过程中呈现出显著的流变劣化特征,采用CSS–283双向万能实验机,对含硬性结构面的大理岩进行剪切流变特性的实验研究,分析岩石黏弹变形随应力水平不同和时间发展的变化规律;在对实验数据和定常流变模型本构关系深入分析的基础上,引入与时间有关的非确定参数,提出一种非定常流变模型,并建立其在一维情况下蠕变方程;通过对定常流变模型理论、非定常流变模型理论和流变实验结果的比较表明,考虑参数时间相关性的非定常黏弹流变模型比定常黏弹流变模型更为准确地反映了岩石的黏弹性变形性能。研究结果是对岩石非定常流变模型研究的一种初探,并对锦屏二级水电站深埋长大隧洞工程有重大的参考价值。     

基于Lade-Duncan和SMP两种强度准则的岩石残余应力研究

 首先利用平面强度理论推导出基于Lade-Duncan和SMP两种准则的强度统一表达式,并结合岩石材料峰后应变软化的力学特性,以峰后内摩擦角?为中间变量,用残余应变 ? 来表示峰后非线性弹性模量E,最后建立岩石峰后残余应力的统一非线性本构方程(即峰后本构模型)。结合小官庄铁矿东区典型破裂岩闪长玢石的三轴试验,对该试验结果进行不同围岩下峰后应力–应变关系的模拟计算。结果表明,建立的峰后本构关系能较好地模拟试验结果,从而验证该模型的合理性,为研究岩石峰后力学规律提供新的途径。     

一种新的岩土流变模型元件

分数阶微积分被发现是一个解决力学建模难题的有力数学工具,利用Riemann-Liouville的分数阶微积分算子及理论,给出一种软体元件及其本构方程,用来模拟介于理想固体和流体之间的土体。该元件能够很好地反映应力松弛和蠕变现象中应力–应变的非线性渐变过程。通过一个软体元件与一个弹簧元件串联或并联,构建2种流变模型,并给出这2种模型的本构方程、松弛模量和蠕变模量。与土的流变实验数据相拟合结果表明,含有软体元件的模型能够更有效地刻画土的流变特性,可以减少参数数量。     

改进西原模型的三维蠕变本构方程及其参数辨识

 传统西原模型由虎克体、黏弹性体以及黏塑性体串并联组合而成,难以描述岩石非线性加速蠕变阶段的流变特性。通过在西原模型上串联一个带应变触发的非线性黏壶,提出改进的西原模型,推导岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程,并采用该流变模型对三峡库区万州红层砂岩流变试验全过程曲线进行辨识,获得模型各参数值。与试验结果的对比分析表明,改进的西原模型不仅可以充分反映岩石初期蠕变、稳定蠕变阶段的流变特性,还可以很好地描述岩石加速蠕变阶段的蠕变规律,明显优于传统的西原模型。加速蠕变是滑坡临滑预报的关键阶段,该模型对加速蠕变阶段的成功描述,对滑坡临滑预报具有一定的指导意义。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。