岩土流变模型的比较研究

基于岩土流变模型的研究现状,把各种流变模型分成4类：元件模型、屈服面模型、内时模型和经验模型。从横向和纵向两个方面对各类模型进行了比较研究;各类模型都有其自身的特点,元件模型较适用于岩石,屈服面模型适用于软土,内时模型适用于循环与振动加载,经验模型适用于实际工程。同时各类模型也有限制,有街待进一步研究。     

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。     

椭圆抛物双屈服面弹塑性模型三维各向异性修正及其试验验证

 粗粒料作为高土石坝的重要筑坝材料,其应力–应变规律受初始不等向固结和后续施工影响。考虑粗粒土各向异性特性的同时兼顾其剪胀性和初始不等向应力状态等主要性质,结合室内试验资料,运用应力变换方法和引入新的应力比参数等手段对经典双屈服面弹塑性模型的屈服轨迹和硬化轴进行修正。通过试验数据和预测结果的对比,表明修正的三维化各向异性双屈服面弹塑性模型能够较合理地反映粗粒土在初始不等向固结状态下的强度和变形特性。     

改进屈服面和旋转硬化准则的各向异性黏土弹塑性模型

基于临界状态理论和旋转硬化法则提出了改进的各向异性模型.首先从恒定应力比加载试验结果出发,采用对数型插值函数描述土体的变形特性,通过增加参数n,推导出可以呈现多种形状的各向异性土屈服面表达式.屈服面在n>1,n<1和n=1时分别呈现泪滴形、子弹头形和椭圆形.然后提出了恒定应力比加载时旋转硬化法则边界值表达式,在各向同性...     

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai 屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力-黏塑性功-时间关系,利用等效时间法得到应力-黏塑性功-黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明：建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。     

锂基润滑脂流变特性

利用剪切流变试验和改进的广义Leider-Bird模型研究锂基润滑脂的瞬态应力响应,分析了锂基润滑脂的弹性特性与皂基浓度和基础油黏度的关系。讨论了锂基润滑脂的瞬态剪切流变行为、皂基浓度和基础油黏度对润滑脂流变特性的影响规律,得到了"屈服"能量密度与摩擦因数的关系。研究结果表明:改进的LeiderBird流变模型提高了数据拟合的精度,更好地描述了锂基润滑脂的流变特性。     

天然软粘土屈服性状的试验研究与本构模拟

为研究结构性及各向异性对天然软粘土屈服特性的影响,对上海软粘土进行了一系列相关试验,包括一维固结试验、三轴不排水剪切试验以及三轴排水应力路径剪切试验;同时在单面边界面模型框架内,引入考虑结构性及各向异性影响的内变量,建立本构方程。通过对边界面与传统屈服面模型计算结果的对比,证明了边界面模型在模拟天然软粘土屈服性状上具有一定的优势;通过对天然软粘土各种屈服试验结果的模拟,验证了模型的合理性。结果表明:修正后的边界面模型可以更有效地反映天然软粘土的变形特性。     

基于超定线性方程组确定软土的流变模型方法

为研究软土流变特性,利用超定线性方程组的最小二乘解,拟合了流变试验的最优逼进多项式.根据最优多项式,可以对照归一化元件模型确定流变模型及其参数,通过流变试验验证了这种方法的合理性,为流变模型辨识及其参数确定提供了一种新方法.     

考虑结构性的天然软粘土流变特性研究

基于边界面弹塑性理论,提出一种可同时考虑软土结构性与长期变形特性的边界面弹塑性本构模型。通过对温州某海堤工程天然软土的原状样分别进行一维压缩试验和三轴流变试验,考查了多组不同加载等级、围压和固结应力比下,温州天然结构性软粘土的流变变形特征。采用该模型对三轴流变试验进行了数值模拟验证其正确性。     

软土中桥梁基础的流变性能试验研究

利用应力式直剪蠕变仪,对取自江苏徐州的软土土样进行流变、桩—软土界面流变试验。得到不同应力状态下软土的流变曲线后归纳比较了流变的过程和特点,分析其中的黏弹塑性关系,建立了四元件黏弹塑性流变模型。     

循环荷载作用下流变性软黏土的边界面模型

为了预测交通荷载作用下流变性软黏土的长期运行沉降,提出了一个能够描述循环加载条件下饱和软黏土流变特性的弹黏塑性本构模型。本模型以边界面弹塑性理论为基础,采用滞后变形理论。模型不仅能单独考虑土体的流变效应和循环加卸载效应,还能考虑交通荷载作用下软黏土在循环荷载和流变耦合作用下的变形特性。模型概念清晰,参数少。通过多组上海软黏土循环加载流变试验结果的模拟,初步验证了本模型的合理性和有效性。     

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。     

考虑时间效应边界面模型在地铁工程中的应用

 为了真实刻画地铁移动荷载低振幅、高振次特征,准确计算软土地铁地基在运营期的长期沉降,需要提出能描述低应力水平下土体动蠕变特性的本构模型。据此,基于边界面本构模型,结合Mesri蠕变模型,建立考虑时间效应的边界面本构模型。随后,为了开发ABAQUS材料子程序,采用应力积分算法对本构模型进行推导,借鉴阻止应变法进行算法的优化,可以使计算间隔缩短,总迭代次数增多,更易收敛。采用提出的本构模型和南京软土GDS动三轴试验获得的相关参数进行数值模拟计算,并进行试验对比,验证本构模型的有效性。同时,将开发的本构模型嵌入数值模拟计算中,设置黏弹性人工边界,进行三维地铁有限元数值模拟分析。结果表明：(1) 基于阻止应变法的优化算法可以进行推广使用;(2) 考虑时间效应的边界面本构模型适合描述软土动蠕变特性,能有效预测软土在低振幅地铁移动荷载作用下的累积沉降。研究对理论研究和实际工程具有重要的指导意义。     

Experimental investigation and constitutive modeling of the shear creep behavior of an overconsolidated soft clay

This paper presents the results of shear creep experimental investigations carried out on Huzhou overconsolidated soft clay and subsequently proposes a constitutive model that is able to reproduce the shear creep characteristics under complex stress conditions. First, shear creep characteristics are obtained based on the analysis of results from drained triaxial shear creep tests conducted on clay samples. Then, the Yin-Graham equivalent time is extended into shear stress states; thus, the concept of shear equivalent time is formulated. Using the shear creep characteristics observed from experiments and the shear equivalent time concept, a shear stress-strain-strain rate creep model reflecting a complex loading history and loading path is proposed. Finally, the model is solved numerically with the fourth-order Runge-Kutta method, and the predictions are compared with the measured values. The results show that (1) the shear creep coefficient of Huzhou overconsolidated soft clay varies with the overconsolidation ratio levels, and there is a good correspondence between them, which is similar to the relationship of the volumetric creep coefficient and overconsolidation ratio; (2) the predicted curves of the new model are in good agreement with measured curves, which demonstrates that the model can well simulate the shear creep characteristics of soft clay under complex stress conditions.

     

超固结软黏土一维蠕变次固结系数与侧压力系数

通过K₀固结原状试样一维蠕变试验,模拟软土地基超载预压卸荷再加荷过程,研究超固结软黏土蠕变过程的次固结系数C_α和侧压力系数K_0r与应力历史的关系。研究结果表明,超固结软黏土的主固结过程相对于正常固结状态有明显缩短,次固结系数C_α与荷载相关,随着 增大而减小,超载预压时间延长导致 增大次固结系数减小。超固结软黏土蠕变过程的侧压力系数K_0r随时间近似恒定,受应力状态和应力历史影响,随再加荷压力增大而减小,随前期固结压力的增大而增大,与 近似成线性关系。依据试验和假定建立的K_0r理论模型,反应了相关条件的影响,无需专用参数,与试验结果具有较高的一致性。一维变形条件下,超固结软黏土的次固结系数C_α与广义剪应力和球应力的比值 具有本质上的联系,符合双曲线规律。     

An Elasto-viscoplastic Constitutive Model with Strain-softening for Soft Sedimentary Rocks

In general, soft sedimentary rocks exhibit strain-softening and time-dependent behavior. In the present paper, an elasto-viscoplastic constitutive model for soft rocks is proposed, that can universally describe time-dependent behavior such as creep, stress relaxation and strain rate sensitivity by extending Adachi and Oka's elasto-viscoplastic model for frozen sand. It is found that the proposed model can be applied to the time-dependent behavior of a soft tuffaceous rock called Tomuro Stone under the strain rate constant triaxial compression, drained triaxial creep and undrained triaxial stress relaxation.     

裂隙花岗岩各向异性蠕变特性研究

 由于岩石的非均质性、裂隙的存在以及所处地质环境的复杂性,岩样在蠕变破坏过程中通常表现出各向异性的特点。为了描述岩石的这种各向异性蠕变性质,在经典弹黏塑性理论的基础上,提出黏塑性流动系数张量表达式,建立岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型,将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模型中,开发岩石蠕变过程分析的三维弹黏塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D-EVP),建立非均质岩石蠕变破坏过程的分析方法,该方法通过常规三轴数值试验来确定细观单元的强度和变形参数,通过蠕变试验确定其黏塑性流动系数,克服岩石力学模拟中“数据有限”的瓶颈问题,并通过对甘肃北山核废物地下处置候选场址的裂隙花岗岩三轴蠕变试验验证该模型和分析方法的正确性,合理地描述裂隙花岗岩在渗流–应力作用下产生各向异性的宏观现象。     

上海结构性软黏土本构模型与试验验证

天然上海软黏土具有很强的结构性,传统的剑桥模型无法合理地对其进行描述,改进后的运动硬化结构模型不仅引入了描述土体结构性的状态变量,可以反映土体塑性应变发展过程中所产生的结构损伤对其力学行为的影响,还对原始运动硬化结构模型中的形状参数、塑性模量公式等进行了改进,能更好地描述上海软黏土的力学行为。基于改进之后的运动硬化结构模型,通过天然上海软黏土等压固结三轴不排水剪切试验对该模型进行参数标定,进而对偏压固结三轴不排水剪切试验与加-卸载等向压缩试验进行预测。结果表明:改进后的运动硬化结构模型可以更好地模拟上海软黏土在三轴试验中的结构损伤、应力路径以及应力应变关系,同时对加-卸载过程中土体的滞回特性也有较好的模拟效果。     

Numerical modeling of tunnel excavation in weak sandstone using a time-dependent anisotropic degradation model

This paper presents a shear-induced anisotropic degradation model involving time-dependent behavior to simulate the deformational characteristics of weak sandstone. The stress–strain relationship of the proposed model was originated from the degradation of moduli K and G subjected to different loading conditions. An anisotropic factor β is introduced to indicate the tendency of shear-induced volumetric deformation. Furthermore, to incorporate time-dependent deformation behavior of sandstone, this anisotropic degradation model is further extended using a generalized Burger’s model. As a result, the proposed model is characterized by the following features: (1) being capable of describing shear-induced volumetric deformation, either compression or dilation, prior to the failure state; (2) being versatile in the time-dependent (creep) deformations; and (3) the anisotropic factor β serves as a convenient index regarding whether shear-induced volumetric deformation dilates or not. Afterward, the proposed model has been verified by comparing to experimental results. It is found that the proposed model is versatile in simulating short-term and long-term deformations of sandstone under different stress paths. Moreover, this model has been incorporated into finite element program and used to analyze a case of tunnel squeezing. Comparing with other existing models, it is found that the prediction of the proposed model is closer to reality and reveals a larger crown settlement, namely a squeezing condition, owing to larger extent of dilation zones. Overall, although the proposed model is a simple variable moduli model, it is capable of describing the key deformation behavior of weak sandstone reasonably-well, including time-dependent and shear-induced deformations.     

天津滨海重塑软黏土一维固结蠕变特性研究

软黏土蠕变产生的长期变形严重影响建筑物及地基的安全性和稳定性,故通过设置不同预压条件模拟软黏土的初始受力状态,对重塑软黏土进行一维固结蠕变试验。研究表明:不同预压条件下,重塑软黏土一维固结蠕变历时曲线的瞬时变形较大,随着加载时间的增长,土体产生缓慢的蠕变,变形量逐渐减小,最终趋于稳定;此外,软黏土一维固结蠕变等时曲线中应变随应力水平的增大而增大,曲线延伸方向逐渐向应变轴靠拢,非线性愈加明显。基于上述研究,引入时间参量t,建立了软黏土一维固结蠕变预测公式,并对公式的准确性和适用性进行验证。该公式可对软黏土地基因蠕变产生的长期变形进行预测分析,为实际工程的设计、施工提供理论指导。