与应力相关的软土蠕变本构模型的建立和应用

天津滨海地区软土层深厚且沉积时间短,故蠕变特性显著,修建于其上的各类型建筑物沉降历时时间长,准确预测地基的最终沉降量成为工程设计的难题.针对天津滨海软土开展了一系列三轴固结蠕变试验,得到了不同围压与应力水平下的应变-时间曲线.提出了与围压和应力水平相关联的Merchant模型参数的确定方法,揭示了模型中3个参数在相同围压下随着应力水平的增大而近似呈线性减小的规律.以此为基础,建立了反映时间效应的天津滨海软土三维非线性黏弹性蠕变本构模型,开发了有限元子程序.与实际工程的观测资料对比表明,该蠕变模型能有效模拟不同施工阶段路堤沉降量的非线性发展过程与沉降速率的变化规律.     

湛江软黏土的流变本构模型研究

文章在湛江软黏土室内三轴剪切流变试验数据的基础上,研究了湛江软黏土的流变特性,通过分析蠕变曲线的规律,选择了广义Kelvin模型、西原模型及线性黏弹塑性模型描述湛江软黏土的流变特性,由非线性拟合结果得出七元件Kelvin模型拟合精度最高;结合不同围压下的蠕变变形特征及应力应变等时曲线几乎为直线的规律,得出了湛江软黏土的...     

深部矿井煤系地层软岩蠕变特征试验

采用在预定围压下先固结后径向卸载的三轴蠕变试验方法,模拟软岩巷道开挖过程应力状态变化,通过三轴卸载剪切蠕变试验表明随剪应力水平的降低蠕变速率显著减小.当剪切应力高于一临界值时,深部矿井软岩蠕变过程历经减速、定常和加速蠕变三个阶段破坏.根据试验结果,为描述非线性加速阶段蠕变规律,采用改进的元件,提出了软岩非线性的黏弹塑蠕变本构模型,通过有限元本构程序的二次开发,将提出的本构模型嵌入到ADINA非线性有限元程序中.对某矿井巷道软岩开挖支护过程进行数值模拟,表明弹黏塑蠕变本构力学模型能够较好地反映软岩的变形特征,数值模拟和实测结果吻合良好,可为矿井深部软岩巷道设计与施工提供参考.     

考虑系数非定常性的成都黏土非线性蠕变本构模型

为了研究成都黏土蠕变规律,展开固结不排水三轴蠕变试验,分析了成都黏土变形的非线性特性及参数的非定常特性。结果表明：当应力小于黏土屈服强度时,蠕变以线性变形为主,包括瞬时弹性变形和黏弹性变形;当应力大于屈服强度时,蠕变以非线性变形为主,包括黏弹塑性变形,具有显著的非线性特性;蠕变过程中,黏土的弹性模量和黏滞系数均为应力和时间的函数,具有显著的非定常特性。结合元件模型理论和分数阶导数模型理论的优点,构建了考虑弹性模量和黏滞系数非定常特性的成都黏土非线性蠕变本构模型,并对模型进行了拟合验证分析,发现蠕变模型对蠕变各阶段的拟合度较高,充分发挥了元件模型和分数阶导数模型的优点,可以很好地反映成都黏土的蠕变全过程。     

软弱路基土体三轴蠕变试验及蠕变模型研究

采用相同面积置换率的微小砂桩模拟地基处理效果,对地基处理后路基土进行三轴蠕变试验。依据路基土三轴蠕变试验,提出一个基于双曲线函数核的黏塑性元件模型,描述路基土的非线性黏塑性蠕变特征。与Burges元件模型串联建立非线性黏弹塑性蠕变本构模型,将模型扩展到三维状态并确定模型参数。研究结果表明:应力水平是影响地基土蠕变变形的主要因素,应力水平S=0.6为路基土体线性黏弹性蠕变和非线性黏弹塑性蠕变的临界值,当S<0.6时,路基土体土表现出线性黏弹性蠕变特征;当S>0.6时,表现出非线性黏弹塑性蠕变特征。     

基于ANFIS神经网络的红黏土蠕变模型

为更好地评价红黏土边坡的蠕变特性和长期稳定性,必须建立合理的红黏土蠕变模型.首先利用自行设计改装的红黏土三轴蠕变试验装置,采用分级加载,对在不同围压下固结完成的红黏土试样进行室内排水三轴蠕变试验,获得了不同围压下的红黏土蠕变全过程曲线.然后采用"陈氏加载法"将分级加载曲线转化为不同偏应力水平下的分别加载曲线,利用等时曲线法获得红黏土的长期抗剪强度.选用不同围压、不同偏应力水平下的部分蠕变试验结果进行样本训练,建立了基于ANFIS神经网络且考虑围压及偏应力影响的红黏土蠕变模型.最后,利用训练完成的本文模型对其他蠕变试验结果进行预测,结果表明本文模型的拟合及预测精度均较高.     

湖相软土单轴蠕变特性及其模型研究

通过长期单轴蠕变试验,获得了湖相软土在不同应力水平下的应力-应变-时间的关系曲线,据此研究该软土的蠕变变形特性;在此基础上,利用非线性牛顿黏壶代替广义西原模型中的线性牛顿黏壶,将其从一维泛化到三维应力空间,建立了改进广义西原模型;利用曲线拟合法确定蠕变模型参数,并对该模型进行数值模拟验证。结果表明：软土在加载的瞬时均有一定的瞬时变形,然后随时间的延长,变形也明显增加;当应力水平低于50 kPa时,土体蠕变变形以衰减蠕变为主,处于黏弹性阶段;当应力水平高于50 kPa时,土体出现了衰减蠕变和稳定蠕变,呈塑性,并进入黏塑性阶段;由于环刀的侧限作用,软土土样未出现加速蠕变;改进广义西原模型具有非线性,由其计算所得的理论曲线能较好地与实测的蠕变试验曲线相吻合。     

滨海软黏土蠕变特性的三轴试验

为探讨天津滨海典型软黏土的蠕变特性,利用英国GDS动三轴试验系统,开展了考虑围压、加荷比以及排水条件等因素下的三轴蠕变试验研究,得到了不同条件下滨海软黏土的应力．应变．时间关系曲线．试验结果表明：天津滨海软黏土具有非线性蠕变特性,其蠕变变形演化特征受结构性制约,低围压条件下,蠕变等时曲线近似为线性,无明显的屈服特性;当围压较大时,蠕变等时曲线呈现折线特性;排水条件下的蠕变等时关系曲线比不排水条件下的非线性程度明显,排水条件下其体变性状总体上表现为剪缩,蠕变变形速率和变形量均低于不排水条件;不排水条件下软黏土的初始蠕变变形速率和变形量与围压和加荷比有关,相同偏应力水平下,固结压力越大,初始蠕变速率越大,达到稳定蠕变阶段的时间越短,蠕变变形量越小;初始固结压力一致时,加荷比越大瞬时蠕变速率越大。破坏应力值越小．     

高围压高孔隙水压作用下岩石蠕变特性

对重庆某地深部砂岩进行高围压和高孔隙水压作用下分级加载蠕变试验。结果表明:加载初期的一较短时间内,孔隙水压力在一定程度上延缓轴向变形,随后整个加载过程表现为增强岩石轴向变形。相同围压下,有孔隙水压和无孔隙水压时岩石蠕变可能存在一个相同的应力强度比阀值,当应力强度比超过该阀值后便会出现加速蠕变破坏。选取三元件广义Kelvin模型描述高围压高孔隙水压作用下加载应力低于屈服应力σs时的岩石蠕变特性,效果较为理想。基于高围压高孔隙水压作用下砂岩加速蠕变试验曲线特性,采用拟合、类比的方法引入一个二元件黏塑性模型,将其与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的可以描述岩石加速蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。采用基于Quasi-Newton非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对高围压高孔隙水作用下岩石加速蠕变全过程曲线进行辨识,对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,验证非线性黏弹塑性模型的正确性。     

排水条件下吹填软土蠕变特性

为深入了解排水条件下吹填软土的蠕变变形和黏滞特性变化规律,对沿海地区软土地基的长期沉降进行合理预测。以天津滨海吹填软土为研究对象,利用三轴流变仪开展一系列的蠕变试验,分析不同排水条件、围压、固结比和初始静偏应力对其蠕变变形的影响,并在此基础上探讨排水条件下黏滞系数的变化规律,构建相应预测模型,同时,利用试验数据对计算结果进行验证。最后给出排水条件下考虑围压和时间等因素吹填软土蠕变变形的预测公式,构建不同蠕变变形阶段黏滞系数的预测模型,并验证模型的可行性。研究结果表明：排水和增大围压、固结比均可有效弱化吹填软土的蠕变效应,初始静偏应力的影响则存在临界值,小于该值时,蠕变变形减小,反之,蠕变变形明显;排水蠕变过程中黏滞系数随围压和固结比的增大而增大,且在小偏应力作用时,呈指数增长趋势,大偏应力作用时,增长幅度近乎线性且速率缓慢,而随初始静偏应力的增大而近乎线性减小;不同蠕变变形阶段,黏滞系数的表现存在差异性,其中线性黏弹与线性黏塑阶段,黏滞系数仅为时间函数,而非线性黏塑阶段,黏滞系数同时为时间和应力函数。研究成果可为吹填软土场地施工提供参考。     

离子型稀土矿体蠕变特性及模型研究

为研究离子型稀土矿体蠕变特性,基于GDS三轴试验系统,对原状矿样进行不同围压和含水率下的三轴蠕变试验。结果发现:偏应力水平不超过50%,矿样主要发生衰减蠕变变形,且以瞬时弹性变形为主,蠕变变形量很小,矿样处于稳定状态。当偏应力水平达到70%,矿样发生非稳定蠕变,在经历减速蠕变和等速蠕变后,变形迅速发展,矿样在短时间内破坏。围压和含水率对离子型稀土矿体在加速蠕变阶段的变形特性影响显著,围压越小,矿样越早进入加速蠕变阶段,发生破坏的时间越短;含水率越大,矿样破坏时变形量越大,强度降低越明显。基于蠕变试验数据,分别探讨Burgers模型、西原正夫模型以及幂函数模型的适用性;并且在Burgers模型基础上引入非线性黏滞元件,建立一种新的非线性黏弹塑性模型。该模型能较好描述离子型稀土矿体蠕变全过程。     

基于分数阶导数的软土非线性流变本构模型

基于分数阶导数理论构建了新的五元件非线性流变本构模型,给出了该模型的理论解,利用该模型对不同应力水平条件下的香港海相软土和上海淤泥质黏土的试验结果进行了拟合分析.研究结果表明,在低应力条件下,串联的变系数黏壶关闭,模型能够更加精确地描述软土的瞬时蠕变、衰减蠕变和稳态蠕变特性;在高应力条件下,变系数黏壶元件参与工作,模型能够较好地描述软土的加速蠕变特性.并且模型参数较少,确定方法简单,具有较为广泛的适用性.     

不同初始应力下软岩卸荷蠕变试验及长期强度

软岩蠕变对地下岩体工程变形控制及长期稳定的影响极为重要,为研究不同初始应力下软岩分级卸荷蠕变行为,以四川省大渡河丹巴水电站右岸平硐的软岩为研究对象,开展了不同轴压下分级卸荷-蠕变试验,分析了软岩在恒轴压和分级卸围压下的蠕变特性及长期强度特征。结果表明：破坏围压下,软岩蠕变曲线和蠕变速率均表现出衰减、稳态和加速三个典型阶段;初始轴压能显著影响软岩的蠕变破坏特征,初始轴压越大,软岩在卸围压时越容易破坏,且均以压剪破坏为主,较高初始轴压会造成试样端部出现拉剪裂隙;软岩长期强度和蠕变破坏强度的比值均在90%以上,卸荷时初始轴压越大,软岩越早进入屈服阶段。     

杭州湾淤泥质粉质黏土排水蠕变试验及元件蠕变模型

为研究滨海地区软黏土的蠕变特性,选取杭州湾淤泥质粉质黏土,开展了一系列100～400 kPa围压的三轴固结排水蠕变试验,分析了不同偏应力状态下的蠕变规律.采用Merchant模型与Burgers模型对土样的蠕变行为进行预测分析,并将预测结果与蠕变试验结果进行对比.结果表明,在不同围压作用下,淤泥质粉质黏土主固结变形比均...     

橡胶颗粒沥青砂非线性蠕变模型试验研究

为了研究橡胶颗粒沥青砂非线性蠕变回复行为,基于Schapery黏弹性模型理论,并结合改进型Swchartz黏塑性模型,提出一种改进的积分型本构模型;开展一系列橡胶颗粒沥青砂压缩蠕变试验,通过最小二乘法与改进欧拉法对实验数据进行拟合,确定模型中各参数;最后,利用模型对不同应力水平下橡胶颗粒沥青砂的蠕变回复行为进行预测。研究结果表明:该蠕变本构模型不仅能准确描述橡胶颗粒沥青砂蠕变过程中复杂的非线性黏弹塑性行为,并且可用来预测不同应力水平橡胶颗粒沥青砂蠕变特性;相比于其他模型,本文模型中参数的确定简单、方便。     

高应力条件下黄土三轴蠕变试验及经验模型

为研究高填方地基黄土在高应力条件下的蠕变特性及其随深度的变化规律,在不同围压下针对陕西延安机场高填方黄土进行三轴固结不排水蠕变试验。采用"陈氏法"对试验数据分析处理,获得分别加载下各围压的蠕变曲线和应力-应变等时曲线。试验发现黄土的蠕变特性在高应力与低应力水平下有显著不同:其应力-应变关系在低应力条件下近似呈线性特性,高应力条件下表现出明显的非线性特性。以围压600kPa为例,由指数函数描述应力-应变关系,双曲线函数描述应变-时间关系,建立了适合延安机场并可以反映高应力条件下黄土蠕变特性的经验模型。将Mesri模型、Singh-Mitchell模型与经验模型比较,发现该模型与试验数据拟合度高、形式简洁、参数少且易获取,能更好地对延安机场黄土的蠕变特性进行反映和预测。     

西安地区Q2黄土应力-应变-时间关系的试验研究

为了研究黄土地区许多工程现象的本质原因,探讨应力—应变—时间的关系,对西安地区Q2黄土在改造后的固结仪上进行了单轴无侧限蠕变试验。加载方式为分级加载,通过使用坐标平移法处理蠕变曲线后得到应力—应变等时曲线。研究发现Q2黄土在不同的应力水平下表现出不同的蠕变形态,应力—应变等时曲线上有一较明显的拐点,拐点对应的应力即为屈服应力,屈服应力随着含水率的增加而呈指数降低,当应力水平小于屈服应力时,黄土表现为线性粘弹性特性;当应力水平大于屈服应力时,黄土表现为线性粘塑性特性。     

应力历史对软黏土蠕变特性的影响

在采用一维蠕变试验探讨应力历史对软黏土蠕变特性影响的基础上,利用有限元法对一维蠕变试验进行数值模拟,并分析不同计算参数对计算结果的影响.试验结果表明:软黏土的应力历史影响其蠕变特性,随着超固结比的增加,软黏土的固结系数增大,而次固结系数减小;应变速率随着超固结比的增加而减小,在双对数坐标系下次固结阶段的应变速率与时间近似呈线性分布,其斜率随超固结比增加而减小,正常固结土的斜率大约为1.0.数值模拟结果与试验结果的对比表明,软土蠕变SSC模型可以较好地模拟软黏土的一维蠕变特性.     

天津地区软土的蠕变特性和速率敏感性

为了研究软土次固结和速率敏感性的内在联系,基于过应力式弹黏塑性本构模型,推导出一个理论关系式,定量地建立了次固结系数和率敏感参数的关系．对天津某地典型软黏土进行了一系列次固结试验和变速固结不排水三轴压缩试验,分析了次固结系数和率敏感参数,验证了所推导的理论关系式的适用性．     

胶凝砂砾石料剪胀特性试验

为探究弹性和塑性对胶凝砂砾石料(CSG)应力应变特性的影响,建立了适用于CSG的剪胀方程,参考粗粒土或堆石料剪胀特性的研究方式开展了一系列不同掺量和围压下的三轴压缩试验、三轴等向加卸载试验和三轴轴向加卸载试验,对CSG的剪胀特性进行了系统研究。试验结果表明：CSG加载过程中弹性和塑性应变都不可忽略,CSG在低围压下具有剪胀性,随着围压的增大逐渐向剪缩性过渡;由试验数据得到CSG的弹性体积应变和弹性剪应变,对比分析了考虑和不考虑弹性应变的CSG剪胀特性曲线,发现弹性应变对CSG剪胀特性影响较大,仅在高掺量、高围压、大应力条件下可以忽略弹性应变的影响;二次函数可以很好地描述CSG的剪胀特性。