黏土模拟退火分数阶导数Burgers蠕变模型

由于一般的人工冻结土体蠕变规律并不符合简单的胡克定律或牛顿黏性定律,且采用整数微积分本构关系存在元件过多的问题,所以借用了分数阶微积分的诸多优点,并把它结合到经典蠕变模型的构造中,即用分数单元代替Burgers模型中的串联黏壶,构造了一种新的蠕变模型——分数阶导数Burgers蠕变模型。运用该种模型拟合冻结黏土和砂质黏土的单轴蠕变规律,模型的参数均由模拟退火算法全局优化而来,分析了单轴蠕变影响因素并对比了经典模型和分数阶模型的拟合效果,发现了模拟退火算法优化后的分数阶Burgers模型能够恰到好处地反映该种冻结土体的蠕变特性。     

基于成都黏土蠕变试验的非定常蠕变本构模型研究

针对黏土的蠕变特性对工程造成不利影响的问题,开展了成都黏土的常规三轴固结不排水试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析其蠕变特性、应力-应变关系、弹性模量和黏滞系数的非定常性;同时,基于分数阶导数理论,利用软体元件替换常规黏性元件,并且考虑黏土弹性模量和黏滞系数的非定常性,构建了成都黏土的非定常蠕变本构模型,对本构模型进行了拟合和辨识分析,得到了成都黏土的长期强度值。结果表明:弹性模量和黏滞系数的非定常性包括时效特性和加载特性两方面,蠕变模型元件包括瞬时弹性元件、黏弹性元件和黏塑性元件;拟合的各项参数变化规律与室内试验规律一致,尤其是对加速蠕变阶段的拟合度极高,所构建的模型具有充分的合理性和可靠性。     

西部软岩蠕变特性分数阶导数开尔文模型

蠕变是岩石的固有性质之一,它反映了岩石在外力作用下的应力、应变及时间关系。采用分数阶导数的模型理论,将分数微积分理论和经典模型理论的方法统一起来,使己有的分散的分数阶导数模型工作系统化,使问题的解法系统化。针对传统整数阶微积分本构关系所需元件多等不足,将分数阶微积分关系运用到软岩蠕变计算中。这种新模型理论可以精确地描述物体瞬时弹性、延迟弹性、粘性流、塑性等性质。通过对比经典开尔文模型与分数阶导数模型的模拟结果,发现分数阶微积分理论和整数阶微积分理论统一起来的分数阶开尔文模型能很好地模拟软岩的蠕变规律。     

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。     

人工冻土遗传分数阶导数加速伯格斯蠕变模型

了解人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。目前常用的人工冻土蠕变整数阶模型存在元件多的不足,通过将伯格斯模型串联黏壶替换为分数阶导数黏壶,建立分数阶导数伯格斯蠕变模型来模拟稳定蠕变阶段;在分数阶导数伯格斯模型中串联加速元件,建立分数阶导数加速伯格斯蠕变模型来模拟加速蠕变阶段。通过对比分析分数阶伯格斯蠕变模型计算结果与试验值,表明所建立的蠕变模型可较好地反映人工冻土的各阶段蠕变过程,可为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

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.     

基于Perzyna黏塑性分数阶导数蠕变模型

了解人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。目前常用分数阶导数伯格斯蠕变模型来模拟人工冻土的稳定蠕变阶段。如果从内能角度分析发生蠕变的机制,基于应变能理论,采用Perzyna黏塑性理论与分数阶导数伯格斯模型相结合,可以建立一种能描述衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段全过程的蠕变统一本构模型。通过建立模型比较发现,数值模拟结果与试验数据基本吻合,研究成果为人工冻土蠕变过程研究提供了一种新的思路。     

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。     

分数阶导数流变模型在岩土工程中的应用

土体具有明显的黏弹塑性,用分数阶导数模型来模拟岩土工程中真实材料的黏弹塑性,能够深入研究土体的应力应变关系,使得该模型在岩土工程中有着广泛的应用。本文介绍了几种含分数阶导数的流变模型,并结合近年来分数阶导数模型在岩土工程中的应用实例,概述了国内外各类分数阶导数模型在岩土工程领域中的应用现状,指出了各类模型的适用范围、优缺点,目的在于为分数阶导数模型在岩土工程中的进一步应用提供一定的参考。     

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。     

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。     

基于分数阶流变模型的饱和软土一维流变固结

在太沙基一维固结理论的基础上,引入分数阶导数Merchant流变模型来描述土体的变形特性,通过对微分型流变方程和一维固结方程进行Laplace变换,推导得到了Laplace变换域内饱和软黏土的一维流变固结方程,采用FlexPDE软件对方程进行求解,并通过Durbin反Laplace变换获得了平均固结度的时域解答。在此基础上,研究了分数阶导数流变模型的微积分阶数和流变模型参数对饱和软土一维流变固结特性的影响规律。计算结果表明:基于整数阶和基于分数阶导数流变模型的流变固结理论在固结前期基本相同,但在固结后期两者差异显著,基于分数阶导数流变模型的软黏土U_p要高于整数阶的情况,而U_s的规律则截然相反。此外,微分阶数β对两种定义的平均固结度均有较大影响,β越大,U_p越小而U_s就越大,软黏土的流变效应越显著。随着流变模型参数F的逐渐增大,同一时刻软黏土的U_p逐渐减小,而U_s则逐渐增大;随着参数β₁的逐渐增大,同一时刻软黏土的U_p和U_s均随之减小。     

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。     

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。     

基于改进Harris函数的黏土分数阶统计损伤模型

以成都黏土背景,展开三轴剪切试验,结果表明:黏土应力-应变关系为应变硬化型。以分数阶微积分理论为基础,考虑黏土加载初期土体性质的增强,及加载过程中的结构损伤问题,建立了基于应变硬化的分数阶损伤模型。考虑黏土损伤贯通变形全过程,引入改进的Harris函数,并假设损伤系数服从该函数的概率密度分布,黏土微元体服从DP3准则,构建了描述黏土应变硬化全过程的分数阶统计损伤模型。通过成都黏土和红黏土的试验数据,对本文模型进行拟合验证,发现数据与模型的拟合度高,拟合参数规律明确;通过对模型参数规律的分析,明确了各参数的工程意义及取值范围,表明了本文模型的科学合理性及先进性。     

饱和软粘土蠕变特性试验研究

本文通过多组试验，对上海地区炮和软粘土的单向压缩直接剪切、三轴剪切的闲变特性进行了试验研究，得出了饱和软粘土蠕查特性，并通过曲线拟合建立了蠕变特性经验方程。