成都黏土三维非定常分数阶蠕变模型

文章以成都御龙山信和基坑项目为背景,进行成都黏土的三轴蠕变试验,并分析其蠕变性质,发现蠕变包括衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段。通过元件模型理论和分数阶微积分理论,构建了五元件蠕变模型,并推导了三维条件下的蠕变本构模型;同时,考虑到蠕变过程中土体的结构特性,将土体弹性模量和黏滞系数非定常化,分别建立了二者与应力和时间的函数关系,并最终构建了参数非定常的三维蠕变本构模型。通过对模型拟合验证分析,发现构建的模型与三轴试验条件下的试验数据拟合度高,可以很好地反映成都黏土的蠕变特性。因此,文章构建的三维蠕变本构模型是科学合理,并具有一定先进性的。     

宁波软黏土流变特性试验及蠕变模型研究

针对现场原状软黏土采用分别加载方法,开展三轴固结排水蠕变试验,研究原状土样的蠕变曲线和应力-应变等时曲线的变化规律;基于Caputo分数阶微分算子理论和Mittag-Leffler函数理论,引入Koeller弹性黏壶元件,建立了修正的Merchant蠕变本构模型,并对试验数据进行拟合分析,结果表明:宁波地区软黏土在达到蠕变强度前,可近似看作非线性黏弹性体;相比传统Merchant模型,修正Merchant模型拟合精度高、误差性小,更适合表征宁波软土的蠕变特性。     

浅变质板岩非定常开尔文模型研究

随着岩石蠕变特性在不同含水状态下试验研究的逐步开展,为了实际工程所需,应先提出能合理描述其蠕变规律的本构模型。为了准确描述浅变质板岩的蠕变行为,首先提出了一个新的非定常粘滞体元件,该元件的黏滞系数随时间不断发生变化。然后将该元件替换常规Kelvin模型中的定常粘滞体元件,建立了一种新的非定常Kelvin模型,并推导了模型的蠕变方程。最后基于浅变质板岩试样单轴压缩蠕变试验结果,采用曲线拟合的方法反演了非定常Kelvin模型和常规Kelvin模型的蠕变参数。通过对比试验曲线与拟合曲线发现:在不同应力水平下,相对于常规Kelvin模型,非定常Kelvin模型拟合曲线与试验结果更加吻合,说明该模型能够更好的描述浅变质板岩的蠕变特性,具有更好的适应性。     

基于Lade-Duncan理论的成都黏土统计损伤蠕变模型

为了研究成都黏土的力学特性,基于Lade-Duncan强度理论,建立成都黏土微元体的破坏判据;假设成都黏土微元体损伤服从对数正态分布,建立黏土的损伤变量关系式;通过蠕变试验和分数阶导数理论,分别构建应力条件下的瞬时弹性变形模型和分数阶蠕变模型,并根据黏土应变统一,构建基于Lade-Duncan强度理论的成都黏土统计损伤蠕变本构模型;利用构建的模型进行拟合验证分析发现,瞬时变形的弹性模量由于考虑损伤变量而保持在初始值附近,分数阶蠕变变形的弹性模量和粘滞系数随着应力的增大而减小,表明在黏土模型中考虑统计损伤是科学合理的;分数阶阶数n不仅可以提高对黏土变形特性的描述程度,还可以直观地反映黏土变形的非线性变化过程。     

考虑初始应变的成都黏土分数阶导数经验蠕变模型

以成都黏土为研究对象,通过蠕变试验发现黏土变形包括瞬时弹性变形及蠕变变形,蠕变以衰减蠕变和加速蠕变为主,并且在第二级加载后具有显著初始应变。基于分数阶导数理论构建了应变时间的分数阶数学关系,采用双曲线关系构建了应力应变数学关系,并最终建立了考虑初始应变的成都黏土分数阶导数经验蠕变本构模型。通过模型的拟合验证,发现分数阶导数蠕变模型对各组蠕变试验的拟合规律一致,拟合系数均大于0.98,拟合初始应变与蠕变试验数据吻合,分数阶阶数n在前三级加载时均小于1,最后一级加载时大于1,表明在蠕变模型中考虑初始应变参数是有必要的,本文蠕变模型可有效反映成都黏土的非线性蠕变性质。因此,分数阶导数经验蠕变本构模型可有效地描述成都黏土蠕变全过程。     

修正广义Kelvin蠕变固结模型研究

软土变形的时效特性产生于蠕变和固结,但蠕变和固结基于不同的变形机制,因此研究蠕变固结耦合效应的计算模型对于软土工程来说是十分重要的。采用将非线性本构模型和Biot固结模型耦合的方法,建立修正的广义Kelvin蠕变固结模型,即非线性弹-黏弹固结模型。首先,根据软土室内试验成果分析变形机制和应变随应力和时间的变化规律,找到函数拟合关系;其次,将Duncan模型和修正的广义Kelvin模型相结合,建立描述上述函数拟合关系的本构模型。然后,将该本构模型代入Biot固结理论的平衡方程,并提出基于非线性变形特征的蠕变固结模型。该模型共有14个模型参数,包括8个Duncan参数,均可通过常规三轴试验确定。通过一个实际工程的计算,完成该模型的计算流程,并对计算结果进行分析和比较,验证所建模型的有效性,探讨软土蠕变对地基中孔隙水压力及应力水平的影响,在此基础上获得一些有益的结论。研究结果表明,采用修正的广义Kelvin蠕变固结模型进行软土变形特性分析是一种合理的方法,具有模型机制明确、参数确定方法简单的优点。另外,虽然蠕变和固结都会给工程带来工后沉降问题,但两者对工程的影响是不一样的,改善地基的排水条件可弱化蠕变效应并提高工程的安全度。     

K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型

在修正剑桥模型基础上综合考虑了软黏土的各向异性及率相关性,建立了适用于K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型。模型借鉴过应力理论的基本思想,定义了与动态加载面相对应的参考屈服面,应用径向映射准则将两者联系起来,流动函数通过分析一维情况下土体的体积蠕变速率得到。以黏塑性体积应变为硬化参数,将一维情况扩展到三维应力状态,直接用次固结系数描述土体黏性强弱,所有参数可通过压缩试验及三轴不排水剪切试验得到。分别计算了代表性等向和K0固结黏土的三轴不排水等应变率加载、不排水剪切蠕变及蠕变破坏过程,与试验结果进行对比,验证本文模型的有效可行性。     

软土蠕变特性试验研究

针对广州南沙原状软土进行了一系列室内试验研究,包括三轴压缩试验、三轴蠕变试验和一维固结试验,系统地探讨了软土的蠕变变形特性。结果表明:软土的蠕变特性与多种因素有关,包括土体的初始固结度、土层排水条件、加荷比等;次固结系数与固结压力的关系取决于土体的先期固结压力和试验中的加荷比。     

重塑软黏土固结排水三轴试验和本构模型研究

通过室内固结排水三轴剪切试验,分析了重塑饱和软黏土在固结排水条件下三轴剪切过程中的力学特性和变形特征。基于硬化参量与应力路径无关的基本假定,根据曲线积分中的格林公式,构建了新的屈服方程,并建立了一个适合于重塑饱和软黏土的本构模型。采用MATLAB软件编写计算程序,利用新建的重塑软黏土本构模型,对所采用的重塑软黏土和文献报道的Fujinomori黏土的固结排水三轴剪切试验进行理论计算。将试验结果和理论计算结果进行对比,可得出结论:新建的本构模型理论计算结果与重塑饱和软黏土的固结排水三轴试验结果较为吻合,可以较好地描述重塑软黏土在排水条件下的强度与变形特征。     

粉质黏土冻土三轴强度及本构模型研究

通过对南京典型粉质黏土10℃冻土在不同围压、固结方式、应力路径条件下的三轴试验,分析不同因素对三轴强度影响,结果表明：最大轴向偏应力随围压增大而线性增大,且重塑粉质黏土冻土的最大轴向偏应力随围压的增大速度大于原状粉质黏土冻土的增大速度;固结方式对内摩擦角影响较大,对黏聚力影响不大,先等压排水固结再冻结试样强度会大幅度提高;强度和弹性模量受应力路径影响,其中常规加载应力路径强度及弹性模量要大于卸载应力路径强度及弹性模量;基于Duncan-Chang模型建立考虑围压影响的冻结粉质黏土本构模型,参数a、b与围压呈负相关,获得原状粉质黏土以及先等压排水固结再冻结、先等压不排水固结再冻结和先冻结后固结重塑粉质黏土的破坏比均值分别为0.87、0.89、0.93和0.87。     

软土各向异性三屈服面流变模型

为了模拟软土在隧道、基坑开挖等工程中所表现出的三维各向异性和时间相关特性,在前人研究的基础上,结合室内试验成果,创建了软土各向异性三屈服面流变模型,详细介绍了新模型的本构方程、硬化规律和流变特征。同时应用实例对新模型的弹塑性和流变特性进行了验证,其计算值和实测值吻合。     

深圳海相沉积软土蠕变特性的试验研究

为探求近代海洋沉积相软土的蠕变规律,对深圳海相沉积软土开展一维压缩蠕变试验和不同固结压力作用下的三轴固结不排水蠕变试验。试验表明,近海沉积相软土蠕变的非线性特性显著,非线性特征通过应力水平的增大而逐渐显露;由于一维压缩蠕变试验中环刀的侧限作用,试样没有发生快速蠕变破坏现象;次固结系数随着固结压力的增大会出现峰值,且峰值...     

压实红黏土三轴蠕变特性试验及模型研究

利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪对中石油云南石化铁路专用线高填方路基的压实红黏土进行了一系列三轴蠕变试验,着重研究了压实红黏土在不同围压、不同应力水平以及不同排水条件下的蠕变特性。结果表明:围压、应力水平和排水条件对压实红黏土的蠕变特性均有显著影响;压实红黏土总体呈现衰减蠕变特征;不排水情况下得到的应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征,且曲线成一曲线簇,具有“归一化”现象,而在排水情况下则呈一定线性关系;并根据应力-应变曲线确定了压实红黏土的长期强度为瞬时强度的0.54~0.72倍。基于不排水蠕变试验数据,建立适合该地区压实红黏土的经验蠕变模型,通过与Burgers模型对比发现,该模型参数少、易获取,且对试验数据拟合效果优于Burgers蠕变模型。     

软粘土路基三轴蠕变特性试验及模型研究

针对软粘土路基累积蠕变沉降变形的特点,开展可塑土、软塑土路基开展三轴固结不排水蠕变试验,确定软粘土路基抗剪强度,得出不同围压下软粘土破坏偏应力,为三轴固结不排水蠕变试验分级加载提供依据。鉴于软粘土非线性蠕变特性比较明显,以围压100 kPa下软粘土的蠕变试验为例,结合最小二乘法的拟合分析,建立了以幂函数为应力-应变关系,以双曲线函数为应变-时间关系的蠕变方程。该蠕变力学模型能够更好地反映和预测竹城公路软土蠕变特性。     

黄土微观参数指标与动弹性模量关联度研究

取岷县地震台、庆阳黄土塬2～12m深度土层的粉土、粉质黏土样品,通过室内动三轴和扫描电镜试验,测定了动弹性模量和微观结构特征,研究了粉土、粉质黏土的动本构关系,并采用关联度分析法研究了黄土竖向(沉积向)和横向(垂直于沉积向)的微观结构与最大动弹性模量之间的关系。研究结果表明:粉土和粉质黏土的动本构关系都符合Hardin-Dinevich双曲线模型。分形维数、概率熵和平均形状系数的变化对粉土、粉质黏土的最大动弹性模量的影响最敏感。其次是平均周长、长轴、短轴,而平均面积对其影响则相对较小。针对粉土横竖向关联度,横向微观参数对最大动弹性模量的影响更敏感;而粉质黏土,竖向微观参数对最大动弹性模量的影响更敏感。     

K0固结软土的循环剪切特性及其流变模拟

对原状温州黏土进行了三轴不排水循环剪切试验,系统分析了黏土在循环剪切过程中应变和孔压的累积特性以及加载频率的影响。考虑到天然黏土不等向固结历史的影响,试验土样在循环剪切前均先K0固结至原位应力状态。研究表明,对于K0固结软黏土,以剪应变累积曲线出现拐点作为循环破坏标准较为合适,此拐点对应的单幅破坏峰值剪应变es,tp大小基本恒定为3%,与加载频率、循环偏应力幅值等因素无关;循环荷载幅值一定时,荷载持续时间t对黏土的循环剪切性状起控制作用,可综合反映加载频率和振次的影响。根据黏性不排水循环累积效应与静力蠕变过程的相似性,按静力蠕变等效的思路,采用建立的各向异性弹黏塑性本构模型对其进行模拟分析,并通过试验验证了此流变等效方法的有效性。     

饱和黏土不排水抗剪强度各向异性的热力学本构模型研究

基于饱和土体TTM（Tsinghua thermodynamic soil model）热力学本构模型分析研究了饱和黏土的不排水抗剪强度各向异性问题。模型及试验研究表明：非等向或固结历史是引起土体强度各向异性的重要原因,固结应力比越小,不排水强度各向异性越大。不排水加载过程中主应力轴的方向对土体不排水抗剪强度和变形有着重要影响。一般而言,当主应力轴方向从0°旋转到90°时,土体的不排水抗剪强度逐渐下降,峰值应变却逐渐增大。此外,非等向固结会导致土体主应力与主应变的非共轴性。利用TTM理论模型,对Kaolin Clay 和Boston Blue Clay的不同试验结果进行了模拟验证和预测。结果表明,TTM理论模型具有反映和预测应力引起的饱和黏土强度各向异性和应变软化等特性的能力,同时也具备精准描述主应力轴旋转等复杂路径下饱和黏土的强度和变形特征的能力。     

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。