流变性软土蠕变特性研究进展

针对软土的应力—应变—时间响应，从蠕变经验公式、流变元件模型以及弹粘塑性模型理论三个方面总结了流变性软土蠕变特性研究历史和最新进展。     

云母石英片岩蠕变模型参数选择研究

根据三轴蠕变试验曲线的特点,建立了云母石英片岩七元件线性黏弹塑性蠕变模型,采用最小二乘法对蠕变柔量-时间曲线和应变-时间蠕变曲线进行拟合确定蠕变模型参数,讨论了确定蠕变模型参数的影响因素及参数的合理性与可用性。结果表明:由于受到分级加载次数、初次加载应力值和加载时间的影响,两种曲线拟合确定的参数各不相同;云母石英片岩蠕变模型的非线性较明显;蠕变柔量-时间曲线拟合确定的参数不予采用,应变-时间蠕变曲线拟合确定的参数在各级应力水平下变化规律不明显;采用某种单一方法确定蠕变模型参数不够全面,建议采用综合辨识法,这样才能保证岩土工程中蠕变数值分析结果的正确合理性以及施工设计的安全可靠性。     

软土的等效时间线剪切流变模型

为反映软土剪切流变的非线性特性,建立剪切流变模型,修正了Singh-Mitchell提出的指数型剪切蠕变经验公式,使之适用于低修正应力水平工况.根据黏塑性剪应变-耗散剪应力-等效时间之间的关系方程推导出黏塑性剪应变速率与剪应力和黏塑性剪应变之间的函数表达式.把该表达式和剪切弹性模型相结合,建立了剪切弹黏塑性模型.以此模型为基础,不但获得了有效围压恒定时单级和多级荷载作用下的剪切流变解析解,而且还获得了有效围压和剪应力均随时间变化时的剪切流变积分解答.结果表明,流变模型能够较好地定量模拟三轴固结排水试验中多级加载作用下的剪切蠕变发展过程,合理地反映剪应变随修正应力水平(或剪应力)、有效围压和持续时间等影响因素变化的流变规律.     

营口地区软土的流变模型

根据室内三轴剪切流变试验的结果,研究了营口地区淤泥质软土的流变特性.结果表明,该类软土具有明显的变形时效性及其在不同应力水平下的蠕变特性.通过分析蠕变曲线的规律,选择了西原模型和双阀值模型这两种理论模型来描述软土的流变特性.由非线性拟合的结果得出其扩展的理论模型精度更高及双阀值模型比西原模型精度更高的结论,同时还指出软土的非线性特性对参数拟合的影响.最后,选择了Singh Mitchell模型及其修正模型对软土进行经验拟合,并达到了良好的精度.     

软土流变特性试验研究

根据室内三轴流变试验的结果,研究了北京地区粉质粘土的流变特性。结果表明,该类软土具有较明显的变形时效性及其在不同应力水平下的蠕变特性。通过分析蠕变曲线的规律,选择了广义开尔文五单元理论模型和时间硬化经验蠕变公式来描述软土的流变特性,并达到了良好的精度,建立了适合北京地区典型软土的流变理论模型和经验模型。     

基于PFC-COMSOL联合开展软土固结细观机理研究

基于细观颗粒离散元方法建立土体细观结构性模型,依据室内试验匹配模型细观参数,采用COMSOL软件进行土体内部渗流场求解,实现PFC-COMSOL联合开展软土固结研究,最终将分析方案与室内固结试验数据进行对比。研究结果表明:PFC使用聚粒模拟絮凝状软土能较真实地再现海相软土的细观结构特性;结构性蠕变对软土固结沉降量有一定影响,软土压缩量应考虑蠕变的影响;软土固结过程中首先出现不均匀压缩,超孔压完全消散后,土体恢复均匀性。     

饱和软土动力响应的弹粘塑性有限元分析

采用基于混合物理论的多孔介质模型,将饱和软土的固体相视为弹粘塑性体,建立了饱和软土的弹粘塑性模型。根据饱和软土两相多孔介质的控制场方程,利用罚参数法和Galerkin加权残值法,推导得到饱和软土动力响应的有限元基本方程,采用了Hughes隐式-显式的求解算法。通过相关理论编制了有限元程序,模拟分析了桩基对饱和软土作用的动力响应,指出了土动力响应的一些特点,揭示了桩基对饱和软土作用的相关机理。     

流变性粘土变形特性的弹/粘塑性研究

通过对已有边界面模型的改进,得到一个能够反映土的弹/粘塑性性质且依赖于时间的流变性粘土边界面模型。为了准确模拟包括蠕变破坏在内的粘性土的整个蠕变反应过程,还将一个反映微观结构损伤的内变量引入到依赖于时间的边界面模型之中;运用该模型对流变性粘土在不排水条件下的蠕变反应进行了数值模拟,并将模型预测结果与试验结果进行比较,发现模型在模拟不排水条件下土的蠕变反应全过程时起到很好的作用。     

天津海积软土蠕变特性试验研究

通过不排水三轴蠕变试验,对天津海积软土的蠕变特性进行了研究,得出了天津海积软土蠕变特性方程．用灰色系统理论建立了蠕变沉降预测模型GM（1,1）,并利用试验实测数据进行了计算,结果表明：该预测模型具有较好的精度,对指导实际工程进行蠕变沉降预测有积极意义．     

岩石流变的一种非线性黏弹塑性流变模型研究

将黏滞系数视为非定常量,建立黏滞系数的非线性函数关系,提出一种能描述岩石蠕变全过程的非线性流变力学模型,且在一定条件下模型可蜕变为Burgers模型或西原正夫模型。推导了岩石在常应力和常应变条件下的流变方程;研究了岩石的非线性蠕变特性和松弛特性。对不同应力条件下的岩石蠕变试验结果进行拟合,并将本文的非线性岩石流变力学模型与试验结果进行比较。结果表明,试验曲线与理论曲线较吻合,从而证明了本模型的正确性与合理性。     

考虑损伤和流变的软土路基变形分析

提出了一种考虑软土损伤和流变性质的粘弹-粘塑性损伤模型。结合堆栽预压加固软基实例，分别采用殷宗泽双屈服面模型、粘弹-粘塑性和粘弹-粘塑性损伤模型进行有限元分析。结果表明，用粘弹-粘塑性损伤模型计算的结果与实测值比较接近，说明在工程分析中同时考虑软土流变和损伤是必要的。     

虚拟手术中缝合过程的相关技术

针对虚拟手术缝合过程中软组织与缝合线交互模拟实现困难的问题,提出一种新的缝合模拟方法。首先,采用质点弹簧模型对软组织建模,为使软组织形变更加真实,在软组织质点间引入内摩擦力系数;其次,为更好地保持缝合线的刚体特征的同时,保证软组织和缝合线的交互过程接近物理真实,几何和物理方法相结合建模缝合线,运用质点弹簧模型可以对产生交互的软组织结点和缝合线结点进行受力分析,采用跟踪头结点算法计算缝合线的新位置;最后,考虑到多次缝合时软组织形变相互影响,利用已缝合结点的对应缝合点计算两个软组织的形变。实验表明,该方法有效提高了软组织形变和缝合线运动真实感,同时保证了模拟过程的实时性。     

软岩地下洞库施工的水土耦合有限元模拟

为了解决饱和软岩地下洞库开挖稳定数值模拟分析中的2项关键问题：合适的本构模型和超孔隙水压对岩体受力变形的影响,基于软岩的类超固结土性质,将下负荷面理论应用于修正剑桥模型,推导出适用于研究软岩地层开挖数值模拟的简易本构模型,并通过三轴试验结果与数值模拟结果相比较验证新本构模型的适用性;然后通过某一实际软岩地下洞库开挖工程的数值模拟,对比分析水土耦合和水土非耦合方法得到的数值模拟结果与现场实测结果间的符合程度.结果表明,新提出的所需参数较少的简易软岩本构模型能较好地模拟岩体在开挖过程中的受力变形特征,同时发现采用水土耦合算法模拟饱和软岩地下洞室开挖能够很好地模拟实际开挖过程中围岩的受力与变形情况.     

离心模型试验在碎石桩处理红层松软土地基沉降中的研究

离心模型中的固结时间是原型固结时间的1／n2，能够在较短的时间内模拟软土地基的长期沉降。为了准确地预测软基的沉降规律，论证软基处理的可行性，因此在简化软土地基模型中，通过在预成孔中放入细砂模拟碎石桩，同时通过离心机的高速旋转，对原模型施以ng加速度，使地基在较短的时间固结．通过测量地基变形，可以很好地预测到地基的施工期和工后沉降与时间的关系。     

基于SEM图像信息的软土三维孔隙率定量分析

为了获取丰富的SEM图像信息并用于软土微观结构定量研究,对杭州地区紫金港软土进行了SEM图像扫描;定性描述了软土微观结构孔隙特征,建立了基于Image-pro Plus（IPP）图像分析软件的三维孔隙计算模型;基于微积分思想,统计了软土的三维孔隙率;分析了软土孔隙率数量和大小随阈值的变化趋势与三维计算模型可行性的联系,并讨论了二值化处理获取的平面孔隙率与本文提出的公式统计的三维孔隙率之间的关系。结果表明:本文提出的三维孔隙率计算公式是可行的,统计结果符合孔隙三维空间分布逻辑;较二值化处理获取的平面孔隙率,本文获取的三维孔隙率更加接近孔隙真实情况,求取方法思路清晰,为软土微观定量研究建立了一条新途径。     

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。     

一种改进的虚拟手术中人体软组织形变方法

虚拟手术是将计算机虚拟现实技术应用于现代医学,利用医学图像数据,重构出虚拟人体软组织模型,利用触觉交互设备,在视觉和触觉上为使用者提供手术场景的模拟和仿真。其中,软组织形变的仿真和建模是虚拟手术系统核心的研究内容之一。针对虚拟手术中软组织形变仿真,提出了一种改进的弹簧—质点模型。在正四边形网格拓扑结构表面模型中,增加了结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧,使表面模型具有体模型的特征。该模型继承了传统弹簧—质点模型的建模快、原理简单、仿真速度快等优点,同时还具有控制形变区域的能力,从而提高了仿真模型的精确度,满足交互系统的真实性和稳定性需求。实验表明该方法有效增强了形变仿真的体积特征,适合于软组织形变较大时的实时仿真,满足了虚拟手术系统实时性的要求。     

软土归一化本构关系的离心试验验证

提出一个用于描述软土应力应变特性的本构模型,将该模型引入到CRISP有限元程序中。采用离心模型试验对本构关系进行验证。结果表明,试验与数值预测有很好的一致性。     

考虑软土流变和损伤的比奥固结有限元分析

软土的变形受到流变性和结构性这两种基本特性的双重影响,计算分析中应予以同时考虑。本文基于已有的软土流变模型,提出了一种可以同时考虑这两种特性影响的软土粘弹塑性损伤本构模型,并能定量的描述原状土结构性逐步破损过程和反映施工预处理引起的初始损伤对于土体后期变形的影响。将该模型耦合Biot固结理论,导出了有限元求解方程并介绍了求解方法,编制了相应的有限元程序。结合工程实例,采用本文模型和不考虑软土流变及损伤影响的双屈服面模型分别对路基变形进行对比计算分析,验证了模型的合理性,揭示了软土地基考虑流变性及其结构性损伤在固结变形中的综合作用。