多重应力路径下粘土本构关系的神经网络模型

基于反问题中的模型参数辩识理论，通过人工神经网络，建立了考虑应力路径影响的粘土的神经网络本构模型。这种本构关系的建模方法优越于传统的建模方法，它不仅可以充分利用实验数据所包含的全部信息，而且还可以定量地反映出应力路径对粘土本构关系的影响。这对岩土工程的计算机模拟和仿真有着重要意义。     

黏土本构建模理论与试验研究

博士学位论文摘要：在进行大量黏土力学性质试验的基础上,将岩土本构关系的数值建模方法拓展到黏性土领域,在弹塑性理论的框架内,探讨黏土本构建模、本构关系和强度特性问题,主要包括3方面的工作：黏土本构关系的数值建模研究、应力历史与应力路径对黏土本构关系与强度特性的影响研究以及黏土经典本构模型的参数研究与模型评价。主要研究成果如下：     

土的本构关系的数值建模方法

神经网络被称为行为模型技术,与传统的现象模型和统计方法不同,它不需要对要模拟的物理现象做出任何假定,它的本质是给出输入空间到输出空间的映射.基于多种应力路径下的砂土的加荷、卸荷和再加荷过程的三轴排水试验数据,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逼近.实例分析表明,该模型对具体应力路径下的本构关系能够很好地逼近和预测.同时,将建立的神经网络模型纳入到试样的有限元程序中去.结果表明,神经网络建模方法比传统的建模方法更方便、准确且容错性强,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.     

重庆红粘土本构模型验证

以重庆红粘土为研究对象，通过对重庆红粘土在不同应力路径加荷条件下的应力－应变关系的分析研究，运用“土的本构关系图象程序”对重庆红粘土本构关系，进行了四种本要模型验证，认为非线性弹性成都科技大学Ｋ－Ｇ模型和殷宗泽双曲服面弹塑性模型能反映重庆红粘土应力－应变关系的本构模型，提出了相应的模型参数。     

砂土数值建模和有限元分析

基于砂土的常规三轴试验,利用岩土本构关系的数值建模方法,建立砂土的弹塑性本构模型。为了该模型的实际工程应用,文中推导了有限元数值计算的弹塑性矩阵,编制了轴对称有限元程序,将本构模型嵌入到有限元程序中,对3种应力路径下砂土的变形过程进行了分析,并将计算结果与试验进行了对比,验证了数值建模方法的有效性。     

砂土应力路径试验的数值模拟

在一组应力路径试验的基础上,利用砂土的状态相关本构模型,对不同应力路径下饱和砂土在三轴固结排水剪切过程中的变形特性进行模拟。将模拟结果与试验结果进行比较,发现这种状态相关本构模型不仅能够较好地模拟出不同应力路径下砂土固结排水试验的应力–应变关系和紧砂的应变软化现象,而且能够反映出砂土的剪缩和剪胀等变形特性,但是在模拟拉伸应力路径下砂土的体积应变变化趋势方面有待于进一步的研究和改进。     

应力路径对重塑粘土本构关系影响的试验研究

为探讨应力路径对重塑粘土本构关系的影响,进行了增、等、减排水和常规三轴压缩不排水应力路径下的三轴压缩试验,获得了四种应力路径下重塑粘土的应力应变关系,采用数值建模方法通过可视化分别给出了四种应力路径下整个应力场中的剪切和体积三维变形曲面,并给出了四种应力路径下的剪切和体积屈服轨迹。对比这四种应力路径下的变形结果发现,无论在应力范围、应变峰值、应变曲面的形状和体积屈服轨迹的变化趋势上都存在显著差别,然而剪切屈服轨迹相似。这些结果证实了应力路径对粘土本构关系的影响是相当大的和不容忽视的,而有效平均正应力对应力路径相关性的影响是决定性的。     

应力路径对黄土应力应变关系的影响

本文通过对黄土进行不同应力路径的试验研究,探讨了应力路径对黄土应力应变关系的影响及原因,建立了不同应力路径下黄土的本构关系。     

混凝土多轴非线性本构模型的研究

通过大量试验,测得了混凝土在单轴应力状态及在5种不同应力比下的双轴应力状态的应力-应变关系.论述了Jones-Nelson-Morgan模型的构成原理及其参数的确定方法,首次将这个模型,用于混凝土材料的本构关系分析,结合混凝土的单轴试验结果,建立了混凝土的非线性本构模型,该模型的特点是材料的力学性能只为应变能的函数,使材料模型可以方便地应用于复杂应力状态.利用广义虎克定律,将模型推广应用于混凝土双轴应力状态的本构关系分析,获得了与试验结果符合较好的理论模型.     

考虑应力路径的黏土弹塑性固结问题的 耦合分析方法

提出多路径条件下黏土的弹塑性固结问题的简化耦合分析方法.基于数值建模方法建立不同初始固结条件下的黏土弹塑性本构关系,并结合Biot固结理论,建立该类问题的增量形式控制方程.将增量化的扩散方程简化为Poisson方程,由于模型可以提供每一增量步下的体变量作为右端项,故在方程中可直接耦合土的变形场和孔隙水压力场,因而比传统的扩散方程更为精确,求解过程比Biot方程更为简单,且可以考虑体应变与剪应变之间的相互作用.推导出该Poisson方程孔压基本解,建立此类流-固耦合问题的半解析半数值解答体系,实现从建立本构关系到固结问题数值模拟的完全数值化.通过2种不同应力路径下的固结算例对比分析表明,该方法简单有效,并能考虑土的应力路径、荷载作用域等条件对地基水平位移、沉降变形及孔压变化的影响,特别是应力路径对固体域变形场的影响.     

深埋巷道的选型分析

深部岩体的力学特性不同于浅部岩体的力学特性,深埋巷道的结构形式是否合理对结构的承载能力和经济效果有很大影响。运用有限元方法,对五心拱、三心拱、1/2圆拱、圆拱、1/3圆拱和1/4圆拱模型的深埋单轨和双轨巷道在不同应力情况下进行数值计算,分析巷道周围的应力场和塑性区。计算结果表明,单轨巷道宜采用1/4圆拱模型,双轨巷道宜采用1/4圆拱或三心拱模型。     

碳酸盐岩储层酸压后测试伤害的复合力学模型及其应用

 基于碳酸盐岩储层酸压的特点,考虑到固体变形和流体流动的相互作用关系,建立包含未酸蚀区、酸蚀区和支撑裂缝的复合力学试油模型。不同区域中的渗流参数随应力的改变不同。根据弹性力学,针对未酸蚀区和酸蚀区地层,建立孔隙度变化模型;针对支撑裂缝通过裂缝导流能力试验建立支撑裂缝的渗透率变化模型,发现对于特定支撑剂,作用于酸蚀区地层上闭合压力超过酸蚀岩石的抗压强度时,支撑裂缝的渗透率的变化模式改变,支撑剂嵌入造成不可恢复的伤害。考虑到不同区域的差别,采用固液耦合的算法计算有效应力的分布规律。现场应用表明,模型预测结果与实测数据基本吻合。     

堆石料强度和变形特性数值模拟

 大型三轴试验结果表明,堆石料在剪切过程中具有明显的应变软化和剪胀特性,其应变软化和剪胀与否取决于土样本身的密度与应力状态：密度越大,围压越低,其应变软化和剪胀性就越明显。通过引入无黏性土的状态相关剪胀理论,对具有不同密实度的堆石料在三轴固结排水剪切过程中的强度和变形特性进行模拟,并与邓肯–张E-B模型和南水模型的模拟结果进行对比,发现该理论仅需一组材料参数就能够较好地反映堆石料的应变软化和剪胀特性。     

主应力对洞室围岩失稳破坏行为的影响研究

 针对复杂应力环境三向应力状态下地下洞室围岩破坏条件和破裂机制,采用统计损伤理论和数值模拟方法,建立三维非均匀性地质模型,考虑应力的三维效应,引入强度折减法,一方面在保持模型边界条件的同时实现洞室围岩的逐步破坏,另一方面以此定量评价不同应力场中洞室安全稳定状况,探讨不同侧压力系数和轴向应力条件下洞室围岩破坏模式,探究中间主应力对洞室稳定性的影响以及深部岩体分区破裂化现象产生条件和破裂规律等。结果表明,侧压力系数影响洞室围岩初始破裂形成部位和发展趋势;不同的轴向应力使得洞室围岩破裂区域和范围显著不同,在不同的侧压力系数条件下,轴向应力影响洞室稳定的规律存在差异;不同方向中间主应力对洞室围岩安全稳定状况的影响是不同的;当洞室轴线方向与最大水平应力方向平行时,较大的轴向应力会使洞室围岩产生分区破裂化现象,围岩破坏的区域也是拉应变集中的区域等。这些结果对进一步揭示地下洞室围岩非线性变形破坏行为,评价岩土工程安全稳定性,采取合理的支护措施等均具有重要意义。     

向家坝水电站坝基挤压带岩石三轴蠕变试验及非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 基于岩石常规三轴蠕变试验成果,研究向家坝水电站坝基挤压破碎带砂岩蠕变力学特性,分析岩石轴向和侧向蠕变规律。在低应力水平下,岩石仅发生衰减蠕变和稳态蠕变,而且稳态蠕变阶段的应变速率为非零常数,蠕变量不可忽视,岩石变形满足Burgers蠕变模型。当应力达到一定水平时,岩石经过衰减蠕变和稳态蠕变之后发生加速蠕变破坏。不同围压下蠕变破坏特征不同,尤其是加速蠕变启动时间的差别较大,据此提出加速蠕变启动元件。通过将加速蠕变启动元件与Burgers模型串联,建立一个新的岩石六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并从理论上对其蠕变力学特性进行讨论。推导三维应力状态下的岩石蠕变本构模型公式,研究蠕变参数辨识方法。通过与试验曲线的比较,显示所建非线性蠕变模型的正确性与合理性。     

不同应力水平下湖相软土流变特性研究

为探明湖相软土在不同应力水平下的流变特性,以洞庭湖区软土为研究对象,进行室内一维固结流变试验,建立了在侧限条件下的流变本构模型,并根据拟合的流变本构模型推导了一维固结情况下的解析解。结果表明:洞庭湖软土具有明显的非线性蠕变特征,当应力水平低于某应力阈值时,软土的流变特性服从Schiffman模型规律,软土固结速度较慢;当应力水平高于某应力阈值时,软土的流变特性服从西原模型规律,软土固结速度较快,并且固结速度随着应力阈值的增加而加快。因此,对湖相软土地区的工程建设,应根据软土的工程性质与所施加的荷载水平而采用不同的沉降计算方法与工程处理措施。     

厚板焊接残余应力有限元分析

根据热弹塑应力理论、有限元增量理论,利用大型有限元软件ANSYS对于厚板建立有限元模型,模拟分层焊接过程,查看不同分层过程对厚度方向残余应力分布的影响。研究I形、V形、X形坡口焊接,分析不同坡口形式对焊接残余应力的影响。分析结果表明,厚板分层焊接能降低焊接残余应力,坡口的选择对残余应力有明显影响。为残余应力的理论分析提供参考。     

砂土路用动态特性试验研究

为研究砂土在重复荷载作用下的路用动态特性,开展系列动三轴试验。根据累积塑性应变随加载次数的变化规律,获得不同含水量、压实度下砂土的临界动应力。研究结果表明,砂土动态回弹模量随围压、压实度的提高而增大,随循环偏应力和含水量的增大而减小。采用偏应力和体应力为变量的动态回弹模量本构模型对试验数据进行回归分析,结果表明所选模型具有较高的决定系数,证明所选模型具有较高的合理性与可靠性,可为基于动力学的路面结构设计提供参数。为运用上述动态特性评价公路路基填料,提出基于动力特性的公路路基设计思路。     

古构造应力量值确定及其在构造地质建模中的应用

在对地质构造及构造应力场数值模拟分析过程中，关键问题是在地质建模时如何确定模型边界条件的应力量值大小．以塔里木盆地塔中I^#断裂带构造数值模拟的建模过程为例，应用岩石Kaiser效应与方解石晶体晶格位错的测试结果，结合构造特征和构造演化的解析进行综合分析，确定了研究区域目的层位在不同构造运动时期古构造应力场应力量值的大小，并成功地建立了研究区域构造地质模型。     

粉砂质泥岩常规力学、蠕变以及应力松弛特性的对比研究

 在相同围压下,对饱和粉砂质泥岩分别进行常规三轴压缩试验、三轴压缩蠕变试验以及三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,比较3种力学试验得出的岩石试样轴向强度大小以及轴向峰值应变大小,并从岩石破裂机制方面解释岩石强度以及变形差异产生的原因。采用Burgers模型描述粉砂质泥岩的蠕变与应力松弛特性,依据模型参数辨识结果,比较常规力学试验得出的剪切模量G与Burgers蠕变模型和应力松弛模型得出的瞬时剪切模量G1大小关系,并比较Burgers蠕变模型与应力松弛模型对应参数值之间的大小关系。研究结果表明：(1) 粉砂质泥岩试样的瞬时强度最大,蠕变长期强度其次,松弛长期强度最小。(2) 常规力学试验中试样的轴向峰值应变最大,应力松弛试验中试样的轴向峰值应变其次,蠕变试验中试样的轴向峰值应变最小。(3) 常规力学参数G值与Burgers蠕变模型和应力松弛模型参数G1值相差较大,分别是蠕变模型和应力松弛模型参数G1值的64.5,86.8倍。(4) 对于G1,G2,?1,?2这4个参数,蠕变模型辨识得出的参数值均较应力松弛模型辨识得出的参数值大。2种模型的G1参数值大小接近,而其他3种参数G2,?1和?2,采用2种模型辨识得出的参数值差别较大,相差1～2个数量级,其中G2参数值相差最小,?1参数值相差最大。与剪切模量G1,G2参数值相比,2种模型的黏滞系数η1,η2参数值相差较大,表明?1,?2对岩石蠕变与应力松弛特性的影响较大。(5) 粉砂质泥岩蠕变与应力松弛模型对应参数的比较结果,证明所得出的岩石蠕变与应力松弛模型参数的正确性,与线黏弹性材料不同,岩石的蠕变特性与应力松弛特性是不等同的,不能简单地由岩石的蠕变特性推导得出其应力松弛特性。