基于分数阶导数的冻土蠕变本构模型

冻土的蠕变特性与所受应力水平及蠕变应变有关,在高应力水平下会表现出加速蠕变特性。本文在分数阶的非线性黏壶基础上提出了可以描述加速蠕变特性的应力-应变双控元件。传统Nishihara模型难以描述加速蠕变,通过将Nishihara模型中的黏弹性体替换为分数阶的Abel黏壶,将黏塑性体替换为提出的应力-应变双控元件,得到了冻土的一维蠕变本构模型,并将其推广到三维应力状态。提出的模型对冻土的单轴和三轴蠕变试验数据进行了预测分析,和传统Nishihara模型相比,该模型只增加了一个参数,不仅能够反映冻土在低应力水平下冻土衰减蠕变和稳定蠕变特性,而且还可以较好地反映冻土在高应力水平下加速蠕变规律。说明了该模型对于描述冻土在不同应力条件下不同蠕变状态的适用性。     

考虑温度效应的花岗岩蠕变损伤本构关系研究

 为了解核废料处置库围岩在不同温度下的蠕变损伤特性,基于不同温度(20 ℃～300 ℃)下花岗岩单轴抗压蠕变的试验结果,分析温度对花岗岩整个蠕变损伤过程的影响特征,认为温度对花岗岩的瞬时弹性模量产生热损伤并加速花岗岩的后续蠕变损伤过程。基于西原模型,引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的蠕变损伤变量,建立温度作用下花岗岩的蠕变损伤本构模型。通过不同温度下花岗岩的蠕变试验数据对建立的蠕变损伤模型参数进行识别,得到不同温度下蠕变损伤模型的材料参数。通过比较蠕变损伤模型的理论结果和试验结果发现,该模型能够很好地反映花岗岩不同阶段的蠕变特性,表明该模型的合理性和正确性。分析模型参数随温度的变化规律,结果表明：随着温度的上升,花岗岩的蠕变损伤破坏时间迅速减小,并满足负指数衰减规律;随着温度的上升,花岗岩的蠕变阶段的破坏特征从脆性向延性转变,其破坏特征参数满足负指数增加规律;随着温度的上升,花岗岩的松弛时间迅速减小。     

蠕变试验中黏弹组合模型参数确定方法的探讨

黏弹性组合模型由于其概念简单，在岩土工程领域已经得到广泛的应用。这类模型及其参数通常是由一维蠕变试验得到，再根据一些常用假设，如常泊松比假设、常体积模量假设等，被应用于三维工程。但由于模型的参数在蠕变试验与工程应用时选取往往不同，而参数的变换关系通常并没有被明确提出，特别是黏性参数也需相应地发生变化的这一事实，则经常被忽视。根据上述两种常用假设下的三维蠕变方程，利用一维蠕变应力特点，间接得到一维蠕变方程，从理论上明确地体现出这两种假设下材料的不同蠕变方程。在此基础上，建议黏弹组合模型参数的确定方法。然后，采用岩土工程领域中广泛使用的广义Kelvin模型来进行说明，对比不考虑任何假设的常规方式下的参数选取，给出该模型在两种不同假设情况下的变换关系。最后，通过算例验证该变换关系。     

冻土原位旁压蠕变试验粘弹性模型分析

研究高温高含冰量冻土的蠕变特性,采用Menard旁压仪在青藏高原多年冻土区开展了大量的旁压蠕变试验,利用Merchant粘弹性模型对蠕变曲线进行回归分析并得到模型参数。结果表明,温度对高温冻土力学性质的影响要大于含水量。随着压力的增加,每级压力下冻土的瞬时应变在总应变中所占的比例逐渐减小。回归分析发现,瞬时剪切模量与负温的绝对值呈线性关系,而延迟剪切模量和粘滞系数与负温的绝对值之间为幂函数关系;当冻土的含水量达到46%时,各参数均出现峰值,而后缓慢减小,此结果与低温冻土有所差别。     

高围压下不同孔隙水压作用时岩石蠕变特性及 改进西原模型

基于高围压下不同孔隙水压作用时细砂岩蠕变试验结果,分析蠕变规律。研究表明：黏弹性模量随孔隙水压增大呈线性递减关系,并根据线性参数随时间变化的数据分布特点,分别用线性函数和幂函数进行拟合,进而得到黏弹性模量随孔隙水压和时间变化的表达式,据此提出一个修正的广义Kelvin模型。根据不同孔隙水压下加速蠕变试验曲线特征,采用指数函数对其拟合,并通过类比的方法引入一个非线性黏性元件,得到一个能反映不同孔隙水压作用下加速蠕变特征的二元件黏塑性蠕变模型,将该模型与修正的广义Kelvin模型串联组成一个新的改进西原模型。基于试验结果,利用优化分析软件1stOpt,对模型参数进行辨识,效果比较理想;对比试验曲线和理论曲线,二者吻合较好,验证了模型的正确性。     

冻结黄土的单轴试验及其本构模型研究

冻土的强度及变形行为受加载速率及环境温度效应的影响。以冻结兰州黄土为对象,开展了一系列不同温度及加载速率下的常规单轴压缩、变速率压缩及加卸载蠕变回弹试验。基于常规单轴压缩试验结果,考虑了加载速率对变形行为的影响;通过变速率压缩试验,引入了一个与加载速率相关的率敏感性系数,构建一个新的考虑率效应的冻土强度关系式,解决了由试样离散性而对率效应试验研究带来的不利影响;运用加卸载蠕变回弹试验实现了对冻土变形中弹性、塑性变形的解耦,并获得了率无关弹性模量。以此为基础,在一定的温度、加载速率范围内建立了考虑率效应及温度效应的冻结黄土单轴唯像本构模型。通过试验验证,该模型能较好地模拟冻结黄土在不同温度和不同加载速率条件下的应力应变行为。     

一个能够模拟软土时效特性的简单弹黏塑性模型(英文)

基于Perzyna超应力理论与修正剑桥模型,建立了一个能够模拟软土时效特性的简单的弹黏塑性本构模型,提出了参数的实验室确定方法。以室内试验为基础,模拟了不同试验条件下软土的时效特性:应变速率对先期固结压力和不排水抗剪强度的影响;一维固结与次固结特征及竖向应力对次固结系数的影响;不同应力水平下的不排水蠕变特征;不同应变水平下的应力松弛特征。通过实验数据与数值模拟的比较,对模型进行了验证,发现上述本构模型能够较好地描述不同加载路径下的正常固结与微超固结土的时效特征。同时,通过对同一试样的多阶段加卸载三轴实验、现场压力仪实验及实验室压力仪实验的模拟,发现此模型可以较好地拟合实验过程中复杂应力路径下软土的时效特征。     

冻结原状砂土分数阶Burgers蠕变模型

为了更好的描述人工冻结砂土的蠕变特性,在Burgers模型的基础上,将分数代数理论与Burgers模型相结合建立了分数阶导数Burgers蠕变模型,对内蒙古地区原状冻土在不同温度和不同加载应力下的单轴蠕变曲线进行模拟,模型参数均由遗传算法全局优化而得。通过对比Burgers模型模拟的结果可以看出分数阶导数Burgers模型能与试验数据严密相关,且所需参数较少,物理意义明确,说明了分数阶导数Burgers蠕变模型能够很好的反映人工冻结砂土的蠕变特性,具有更高的精确性。     

沥青胶砂改进分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型

针对沥青胶砂的蠕变特性,提出了改进分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型,然后分别对不同应力水平下沥青砂的蠕变恢复试验结果和不同温度下沥青玛蹄脂的蠕变试验结果进行拟合分析,确定了相关的模型参数,分析了模型参数的物理意义及其变化规律.在此基础上,提出了相应的沥青胶砂高温性能评价指标.结果表明:改进分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型能够较好地描述沥青胶砂的蠕变特性,并能够反映温度对其蠕变变形的影响,具有较为广泛的适用性.     

青藏高原多年冻土长期蠕变变形试验研究

为了研究青藏高原多年冻土的蠕变特性,在青藏高原北麓河盆地多年冻土区开展长期蠕变试验,长期蠕变试验采用土工原位测试中的承台静载试验。承载板埋设于多年冻土上限附近,由钻孔资料可知,承载板下多年冻土属高温–高含冰量冻土。综合承载板下岩性及含冰量大小,确定可压缩层厚度并提出冻土加权平均含水量的概念。通过对承台下地温资料分析可知:在年变化深度范围内,承台下不同深度年平均温度逐年降低,说明承台下冻土地基处于放热降温状态。由多年冻土蠕变变形特性分析可知:压缩层温度变化是影响多年冻土蠕变变形的决定性因素,随着温度的升高,蠕变速率增大,反之减小;当压缩层的温度受气温变化影响不大时,可以采用高温–高含冰量冻土的蠕变方程近似预测现场蠕变变形发展。多年冻土长期蠕变变形的发展对寒区工程结构的长期稳定性具有重大影响。     

冻土三轴流变特性试验研究与冻结壁厚度的确定

利用冻粘土试件进行了三轴蠕变试验，从而获得了复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果，建立了非线性蠕变方程来描述不同温度下冻粘土的蠕变特性。通过回归分析，得到了冻粘土蠕变参数的数值。根据冻土的流变理论，探讨了塑粘区的扩展规律，最后推导出了冻结壁厚度计算公式。同时，又进一步探讨了防止冻结管断裂的有效途径。     

平面变形超固结软黏土蠕变模型研究

 通过对原状软土进行平面蠕变实验,研究平面变形条件下超固结软黏土的蠕变特征。研究结果表明,研制的量测装置能独立量测平面应变超固结软土的侧向变形,可规避实验过程体积变形测量精度对侧向变形数据的影响;软土的侧向变形与超固结剪应力比OCRq具有良好的对应关系,OCRq能同时反映剪应力和应力历史对软土侧向变形的影响。平面应变状态下体积蠕变系数和轴向蠕变系数均与OCRq有一一对应关系,依据不同主应力比下的超固结软土平面变形蠕变实验,建立以主应力比和超固结剪应力比为变量的四参数经验模型。所建经验模型包含软土的正常固结状态,可合理反映了主应力比和应力历史对平面变形软土蠕变过程的影响。     

重塑粉质黏土的剪切蠕变特性及本构模型研究

通过室内三轴试验,对重塑粉质黏土的剪切蠕变特性进行研究,分析了粉质黏土在不同偏应力水平下和不同偏应力分级方式下的蠕变变形特性。试验表明,粉质黏土的偏应变蠕变变形与对数时间关系具有明显的非线性;在同样的剪切应力水平下,不同的加载分级方式对试样的最终偏应变量有明显的影响,加载分级越多,最终的偏应变量越小。基于试验数据,建立了适合描述重塑粉质黏土蠕变特性的双曲线模型,并对模型参数的物理意义和取值方法进行了讨论。分析表明,模型参数的取值与应力水平及试样的初始孔隙比有关;结合试验结果,给出了粉质黏土剪切蠕变双曲线模型参数取值建议。     

基于扰动状态概念的结构性软土蠕变模型

结构性和蠕变性对软土工程性质具有双重影响,有必要建立一种模型能够准确描述扰动带来结构性逐步破损的过程并同时反映软土蠕变特性对地基变形的影响。引入扰动状态概念,选取三元件广义Kelvin模型描述相对完整状态,3DEVP模型描述完全调整状态,扰动函数采用经验表达式,建立了一个基于扰动状态概念的结构性软土蠕变模型。从宏观试验结果和微观结构变化分析,说明扰动模型可以很好地描述在应力作用下软土结构性在蠕变过程中逐渐衰减的过程。模型中的参数都可通过等向压缩蠕变试验与三轴蠕变试验获取。通过黄石地区的结构性软土的三轴固结不排水蠕变试验数据对模型进行检验,结果表明该模型能较好描述结构性软土的蠕变特性。     

宁波地区淤泥质黏土的三轴蠕变模型

以宁波地区淤泥质土的三轴蠕变试验为基础,总结并改进了Singh-Mitchell的蠕变模型,建立了适用于描述不同剪应力水平下的土体三轴蠕变模型。通过对比分析模型计算结果与试验结果,验证了该模型在描述不同剪应力水平下土体蠕变关系的适用性。该模型可为宁波地区基坑施工土体位移及其对周边环境影响的时效分析提供依据,对于同类软土的蠕变模型建立具有一定的参考价值。     

复杂应力路径下人工冻砂土非线性流变本构模型与应用研究

采用应力路径试验方法,模拟人工冻结法凿井井架地基施工变化过程,得到了冻砂土地基的变形规律:冻砂土轴向加载过程具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻砂土在应力路径下的变形,以元件模型为基础,通过推导获得冻砂土非线性流变本构力学模型。利用有限元程序的二次开发技术,将该模型嵌入到FEPG有限元程序平台中,对冻砂土三轴蠕变试验和冻结法凿井井架地基受力过程进行了数值模拟。模型能够较好地反映冻砂土的变形随时间的变化规律,数值模拟、室内试验和实测值吻合较好,可为冻结法凿井设计和施工提供指导。     

Unsaturated creep tests and empirical models for sliding zone soils of Qianjiangping landslide in the Three Gorges

Creep of sliding zone soils may cause significant displacement in large-scale landslides in the Three Gorges reservoir area.To investigate the effects of water on the soil creep behavior of the Qianjiangping landslide,a series of unsaturated triaxial creep tests on the sliding zone soils were performed.Based on the analyses of testing results,a new stress intensity incorporating matric suction was defined and an unsaturated Singh-Mitchell creep model was developed.Predicted results are in good agreement with the experimental results,which indicates that the established unsaturated model can reasonably simulate the effects of water on the soil creep behavior of the landslide.Finally,relationships between matric suction and the parameters of the model were analyzed.This study provides a calculation model and parameters for the evaluation of long-term stability of landslides under the influence of water.