冻土的有限变形本构关系的实验研究

根据有限变形理论,给出了冻土三轴蠕变实验数据处理时所需Green应变和Kirchhoff应力的计算公式,并根据冻土三轴蠕变实验结果给出冻土的有限变形本构关系及其蠕变参数。通过对冻土的实验数据对比分析可知:在相同试验条件下,应变较小时,小应变ε1 和Green应变Ez的数值几乎相等,随着应变的增加,两种表征方式的计算结果差别越来越大,可见对于冻土如果不考虑试件变形前后长度的变化,计算得出的应变偏离实际变形情况较大,因此冻土材料的本构关系采用有限变形表征更确切。根据冻土的有限变形本构关系计算得到的冻结壁内侧最大径向位移更接近实测结果,因此冻结壁设计计算依据冻土的有限变形本构关系更为合理。对今后冻结工程的设计具有参考价值。     

冻结黏土单轴抗压试验及损伤本构模型分析

从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Mohr–Coulomb强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了单轴应力状态下冻结黏土损伤本构模型;在此基础上,讨论了模型参数和弹性模量与冻结温度的关系,对模型参数和弹性模量进行合理修正,建立了温度影响下的冻结黏土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明:考虑温度效应的损伤本构模型能很好地模拟冻结黏土应力–应变全过程曲线,具有很好的适应性。     

基于级连相关神经网络的人工冻土本构模型

为解决BP(back propagation)神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系.基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP模型更接近实测结果.     

CONSTITUTIVE MODEL OF ARTIFICIAL FROZEN SOIL BASED ON CASCADE-CORRELATION NEURAL NETWORK

为解决BP (back propagation) 神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系. 基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP 模型更接近实测结果.     

UNIAXIAL COMPRESSION TEST AND DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL FOR ANALYSIS OF FROZEN CLAY 1)

从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Mohr--Coulomb强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了单轴应力状态下冻结黏土损伤本构模型;在此基础上,讨论了模型参数和弹性模量与冻结温度的关系,对模型参数和弹性模量进行合理修正,建立了温度影响下的冻结黏土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明：考虑温度效应的损伤本构模型能很好地模拟冻结黏土应力--应变全过程曲线,具有很好的适应性。     

基于级连相关神经网络的人工冻土本构模型1）

为解决BP (back propagation)神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系。基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP模型更接近实测结果。     

冻土水热力耦合作用的数学模型及数值模拟

将冻土体视为空间弹性体,提出了土体在冻结过程中水分场、温度场、应力场三场耦合的一般数学模型,并给出了相应的离散方程及其解法,最后给出了数值算例,并与实测值比较,证明了该模型和算法的正确性。     

冻融循环冻土的冲击动态力学性能

以典型冻土为研究对象,通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验,综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明,冻土存在冻融循环效应,随着冻融循环次数的增加,冻土的峰值应力有一定程度的降低,但在达到临界冻融循环次数后,峰值应力将维持稳定;同时,冻土表现出明显的应变率效应和温度效应,其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子,推导满足Weibull分布的冲击损伤,提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为,为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。     

基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型研究

假定冻土粘塑性微元损伤符合修进的莫尔-库仑准则,损伤变量服从Weibull随机概型分布;基于热力学原理和统计损伤理论,通过推导得到了相关联流动法则下的蠕变损伤耦合本构方程.为了便于研究冻土蠕变和损伤的耦合作用,将提出的本构模型,通过用户子程序嵌入到有限元程序中.最后,对冻土中桩基承载力模型试验进行了数值模拟,结果表明:基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型能较好的模拟冻土蠕变变形的全过程,并且与实测蠕变变形十分吻合,该模型对冻土结构物长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义.     

基于内时理论的冻土试验研究与数值分析

从内时理论出发,基于考虑了温度和应变率影响的冻土内时流变本构方程,采用Matlab拟合法确定内时材料参数,对冻土在单轴和3轴应力条件下的应变进行了求解、分析与试验验证,并将理论结果与试验所得的应力-应变曲线进行了比较,理论曲线与试验曲线基本吻合. 与传统塑性理论的研究方法相比,内时理论的研究方法可以免去确定屈服面的困难. 基于所使用的内时本构模型,对冻土路基的冻结进行了数值分析,结果表明该理论具有很好的适用性.      

A Dynamic Micromechanical Constitutive Model for Frozen Soil under Impact Loading

By taking the frozen soil as a particle-reinforced composite material which consists of clay soil(i.e., the matrix) and ice particles, a micromechanical constitutive model is established to describe the dynamic compressive deformation of frozen soil. The proposed model is constructed by referring to the debonding damage theory of composite materials, and addresses the effects of strain rate and temperature on the dynamic compressive deformation of frozen soil. The proposed model is verified through comparison of the predictions with the corresponding dynamic experimental data of frozen soil obtained from the split Hopkinson pressure bar(SHPB) tests at different high strain rates and temperatures. It is shown that the predictions agree well with the experimental results.     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

MODEL TEST AND NUMERICAL SIMULATION OF BEARING CAPACITY OF ARTIFICIAL FROZEN CLAY1)

在天然冻土地区进行工程建设需研究冻土地基承载力。在人工冻结黏土蠕变试验的基础上建立广义开尔文模型,通过改造人工冻土大型冻结试验平台,进行人工冻结黏土地基承载力试验,发现载荷-沉降曲线可以分为3个阶段,基础呈局部剪切破坏。在ANSYS中将考虑相变的温度场转化为温度载荷施加在三维实体模型上,并将广义开尔文模型应用于软件中,采用增量加载方式分级加载。对比数值模拟与模型试验结果,发现地基载荷-沉降曲线规律一致,极限承载力大小基本相等,基础破坏模式相同。结果表明ANSYS软件可以分析复杂边界、初始条件下冻土材料的性质, 且能得到不同载荷下冻土材料的应力、位移、塑性区发展状况。     

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性，通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体，建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型；分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律，基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数；通过将模型和试验数据进行对比，并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析，验证了模型的适用性和准确性。结果表明，损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响，而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著，本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征，且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应；不同负温和主动围压条件下，模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

基于WOA-BP神经网络的超低温冻土抗压强度预测模型研究

为获得超低温冻土抗压强度预测模型, 探究超低温状态下冻土的物理性质及力学性质的变化, 对含水率19%, 22%, 25%和28%的低液限黏土土样进行?180 °C ~ ?10 °C的单轴压缩强度试验, 并测量?80 °C ~ ?10 °C土样的未冻水含量, 建立基于WOA-BP神经网络和BP神经网络的预测模型, 探究含水率、温度、未冻水含量与超低温冻土抗压强度关系. 预测结果表明: 含水率、温度、未冻水含量与超低温冻土抗压强度存在复杂的非线性关系, 特别是在?180 °C ~ ?80 °C区间内, 现有的线性拟合公式已无法准确预测该区间内冻土抗压强度; 基于WOA-BP神经网络预测模型的整体预测效果较好, 其绝对误差平均值为1.167 MPa, 相对误差平均值为7.62%, BP神经网络预测模型的绝对误差平均值为8.462 MPa, 相对误差平均值为47.99%. 基于鲸鱼优化算法的BP神经网络预测模型预测误差明显小于BP神经网络预测模型及线性拟合值, 更接近实测值. 该预测模型具有较高精确度, 能有效解决超低温冻土抗压强度与其影响因素间复杂的非线性关系, 可为人工冻结技术在地层应急工程中的应用提供参考.      

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。