基于改进PSO算法的岩石蠕变模型参数辨识

微粒群优化（PSO）算法是一类随机全局优化技术,具有收敛速度快、规则简单、易于实现的优点．针对岩石蠕变本构模型参数的辨识问题,本文利用FLAC软件自带的fish语言实现了改进PSO算法对本构模型参数的辨识．该方法从岩石本构模型参数的随机值出发,以蠕变过程中试件变形的实验值与计算值的误差大小作为适应度函数来评价参数的品质,利用改进PSO算法规则实现模型参数的进化,搜索出全局最优的模型参数值,从而实现了岩石蠕变本构模型参数的自适应辨识．利用该方法对页岩蠕变实验进行了仿真研究,实验结果表明：改进的PSO算法用于岩石蠕变模型的参数辨识是有效的．     

路堤荷载下软土地基蠕变变形性状预测及分析

根据软土的蠕变特性,以有限单元法为分析手段,选用Plaxis软件中能考虑土体黏弹塑性特征的SSC模型,模拟了路堤荷载下软土地基长期变形的过程及性状,同时作为对比,采用不考虑时间效应的SS模型模拟了该问题。计算结果表明,由SSC模型计算的软土地基的沉降、孔压随时间的变化规律均较为合理,而简单弹塑性模型SS的结果则会低估变形水平。此外,SSC模型中的修正蠕变系数μ*对软基长期变形曲线的影响较大。说明今后在预测分析路堤荷载下软土地基的长期变形时,合理考虑软土蠕变特性的关键必要性。     

悬索桥隧道锚原位缩尺模型蠕变试验研究

为获取雅康高速泸定大渡河特大悬索桥实桥隧道锚蠕变变形规律，根据相似理论，开展隧道锚1∶10原位缩尺模型蠕变试验；利用气液式加载系统进行模型锚分级加载试验，分析模型锚、围岩和界面错动在1.00P （P为缩尺模型单根设计拉力）、3.50P、7.00P荷载下的蠕变全过程规律；采用FLAC3D进行锚碇与围岩体蠕变的三维黏弹塑性仿真分析，进行模拟值与实测值对比分析. 试验结果表明:在1.00P、3.50P、7.00P荷载作用下，锚体最大蠕变量分别为0.62、0.97、1.58 mm，围岩最大蠕变量分别为0.49、0.85、1.38 mm，锚体与围岩错动最大蠕变量分别为0.15、0.64、1.43 mm；锚碇和围岩实测蠕变变形量与计算值在量值上相当，蠕变趋势基本相同；雅康高速特大悬索桥隧道锚和围岩在各级荷载作用下属于稳定型蠕变，正常设计荷载下，锚碇蠕变不会影响悬索桥的长期稳定性.      

水压与外力共同作用下的岩石蠕变模型

为了更好地描述岩石蠕变的全过程以及在水压与外力共同作用下的岩石蠕变规律,对描述岩石蠕变特性的Burgers模型进行了修正.把非线形黏滞阻尼器与塑性元件并联,然后串联在Burgers模型中,从而得到修正的Burgers模型.通过分析和推导,建立了水压与外力共同作用下岩石蠕变全过程的本构方程,并给出了求解模型参数的方法.     

含分数阶导数元件非线性蠕变模型的二次开发

通过GDS应力三轴仪对湛江黏土在恒定围压不同偏应力下的三轴蠕变试验,得到几组不同偏应力下轴向应变与时间关系数据,鉴于传统线性元件组合模型无法精确描述黏土蠕变的非线性问题,提出采用分数阶导数元件分别替换传统Burger模型中两个牛顿粘壶线性元件,建立起含两个分数阶导数元件的非线性蠕变模型,采用C++语言将该模型在FLAC3D中进行二次开发,通过建立一个三轴数值算例,将不同偏应力下数值计算结果与试验数据进行对比,结果表明提出的非线性蠕变模型相比Burger模型更适合描述湛江黏土的蠕变过程。     

饱和粘土蠕变特性研究及参数确定

将两种弹-粘弹性模型(Burgers和H-2K模型)的一维蠕变方程,转换成三维状态下的应力-应变-时间关系,分别推导出常应力下两种模型的轴向应变随时间变化的方程.采用分级加载法进行室内长期单轴压缩蠕变试验,结合两种模型三维应力状态的轴向应变表达式,对试验结果进行拟合,得出相应模型的本构参数.试验结果表明:饱和粘土在新增荷载作用下2～3d变形趋于稳定,Burgers模型和H-2K模型均能较好地模拟饱和粘土的衰减蠕变过程;而H-2K模型能更好地模拟土样在常应力作用下的蠕变特性.     

变质板岩高边坡岩石蠕变特性试验研究

岩质边坡开挖后的岩体应力调整和变形不是在瞬间完成,而是在相当长的时间内应力和变形才趋于稳定,这是由于边坡岩体存在流变特性。为研究岩质边坡岩石的流变特性,以湖南某高速公路一典型变质板岩高边坡为研究对象,对该高边坡板岩的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验研究。研究结果表明：Burgers模型能很好的模拟板岩的蠕变特征;随着轴向应力的增大,伯格斯模型各参数都有减小的趋势,说明板岩的粘性蠕变随着轴向应力的增大而越来越明显,板岩呈非线性粘弹性。     

基于含冰量的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性

保证高含冰量冻土区桩基础的长期稳定性是多年冻土区桥梁桩基础安全服役中的关键问题,为研究含冰量对冻土-混凝土接触面蠕变特性的影响,采用自行研制的大型蠕变剪切仪,在-2℃条件下开展含冰量为6%、12%、16%、23%、36%、60%、80%的冻结砂土与混凝土接触面蠕变试验.试验结果表明：在恒定的剪应力作用下,除含冰量为6%试样出现加速蠕变外,其他试样仅出现衰减蠕变及稳定蠕变2个阶段;随含冰量的增大,试样黏性变形占比增大,含冰量为80%试样的黏性变形超过总变形量的80%;稳定蠕变速率受到干密度及含冰量的综合影响,含冰量为16%时稳定蠕变速率最小;Burgers黏弹性模型能较好地模拟高含冰量冻结砂土-混凝土接触面蠕变曲线;随着含冰量的增大,初始剪切模量和稳定蠕变阶段黏滞系数先增大后减小,初始蠕变阶段的渐进剪切模量呈幂函数减小,初始蠕变阶段黏滞系数呈幂函数增大.     

沥青混合料蠕变损伤模型与损伤演化

为定量描述沥青混合料的蠕变特性,考虑沥青混合料在整个蠕变过程中同时存在蠕变硬化机制和蠕变损伤劣化机制,基于分数阶微积分理论,发展了一种相对简单的分数阶蠕变损伤模型,用分数阶Maxwell模型来描述蠕变硬化机制,用损伤应变来表示蠕变损伤劣化机制,并从统计学角度推导出沥青混合料的损伤演化方程;对AC-13沥青混合料进行了不同应力水平(0.179、0.358、0.448、0.537和0.716 MPa)下的单轴压缩蠕变试验,通过Levenberg-Marquardt优化算法进行了非线性拟合,确定了不同应力水平下分数阶蠕变损伤模型的参数与损伤演化曲线;为构建不同应力水平下统一的损伤演化模型,提出了一种统计量化沥青混合料损伤演化的方法,建立了蠕变损伤与损伤应变之间的演化关系。研究结果表明:在不同应力水平下,提出的分数阶蠕变损伤模型与试验结果的判定系数均不小于0.995,适用于描述包括衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段的整个蠕变过程;在衰减蠕变阶段,不同应力水平下沥青混合料的损伤都小于1.0×10-3,相对于蠕变破坏时的损伤0.8可以忽略不计,而进入稳定蠕变阶段以后,损伤逐渐增大;当沥青混合料的蠕变应力超过一定值时会发生蠕变破坏,其流值时间取决于所施加的应力水平;用二参数Weibull分布函数拟合所得的蠕变损伤与损伤应变之间演化关系的判定系数为0.992,说明可以建立不同应力水平下的统一损伤演化模型,且其参数只与材料性能和温度有关,与施加应力大小无关。      

锚墩下岩体瞬时弹塑性变形分析

从强风化岩质边坡的特点出发,运用弹塑性理论分析预应力锚索锚墩下岩体的弹塑性变形,同时结合分层总和法计算锚墩下的岩体力学性态,最终可以以D-P屈服准则确定岩土体的塑性屈服区域,以FLAC3D软件分析锚墩下的岩土体的弹塑性变形屈服特征.通过与分层总和法计算结果的对比分析,以及该方法在某公路边坡工程中的实际应用证明,此方法具有一定的可行性,能给预应力锚索设计和施工提供依据.     

基于悬臂梁流变试验的倾倒变形力学特性分析

弯曲倾倒变形本质是岩层所发生的弯曲流变变形，为了阐明其时效特点与力学特性，首先对反倾层状斜坡进行受力分析，将岩层某点的受力简化为自重应力与水平侧应力；其次在该受力条件下，进行了悬臂梁弯曲流变试验，将岩层悬臂式弯曲流变模型概化为4个阶段:瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段. 基于上述的试验和分析，推导出悬臂梁弯曲流变的本构方程；并选取岩梁发生倾倒变形时极限位置处应变为0，对本构方程进行求解得出倾倒变形发育的极限深度；以悬臂梁倾倒折断时应变加速度等于稳态蠕变的上限加速度为求解条件，得出岩梁的倾倒折断深度.      

锯齿形结构面剪切流变及非线性本构模型分析

为了对岩体结构面的蠕变和松弛特性进行比较分析,用水泥砂浆浇筑成不同角度的结构面试样,在岩石双轴流变试验机上对同一应力起点的规则齿形结构面进行剪切应蠕变试验和松弛试验.首先分析了的蠕变与松弛特性,其次对参数非线性流变本构模型的建立和求解进行探讨,最后采用参数非线性流变方程对试验曲线进行拟合. 试验结果表明:结构面剪切蠕变曲线和松弛曲线都可以分为瞬时、衰减和稳定3个阶段;基于能量理论分析蠕变和松弛过程,显示蠕变是能量的注入与耗散过程,而松弛主要是能量的耗散过程;建立非线性流变模型时,应采用流变力学模型理论推导其本构方程;积分法与Laplace变换法求解蠕变方程或松弛方程时,相应的初始条件不相同;考虑黏性系数是与时间相关的非定常参数,提出了参数非线性Maxwell模型的蠕变方程和松弛方程,与试验曲线拟合结果比较理想;蠕变方程和松弛方程的拟合参数值不同,表明蠕变与松弛不等价且不能相互置换.      

岩石蠕变对隧道二衬结构影响的研究

岩石蠕变是岩石的重要力学特征之一。在隧道开挖完之后的很长时间内,围岩会因为蠕变而进行应力调整,蠕变产生的荷载由隧道的初衬和二衬联合承担。而当今隧道的使用寿命规定为100a,隧道设计中往往将二衬作为安全储备,没有通过分析围岩蠕变荷载对二次衬砌的影响对二衬进行设计。如不对此进行准确分析并采取有效的控制措施,长时间的蠕变将会对隧道二衬结构产生严重影响。因此,分析隧道二衬受力以及健康程度随时间的变化是十分有必要的。结合铜锣山隧道工程,利用大型有限差分软件FLAC3D的Bur-gers蠕变模型,分析了不同时间蠕变对围岩应力重分布以及对二衬的力学性能的影响,得出一些有价值的结论:岩石蠕变造成隧道断面围岩应力、作用弯矩的大小及位置发生变化,对衬砌的安全造成影响。     

石英云母片岩各向异性蠕变特性试验研究

为探明丹巴水电站地下厂房区石英云母片岩的各向异性流变力学特性,分别对片理方向不同的2组石英云母片岩试样进行了单轴压缩蠕变试验.根据石英云母片岩蠕变曲线的特征,通过串联一个非线性黏性元件,对损伤西原模型进行改进,并按照Lemaitre应变等效原理推导了模型的蠕变方程,获得了石英云母片岩的一维流变模型参数;分析了片理面和应力水平对瞬时蠕变、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变等特性的影响.结果表明:随应力水平提高,石英云母片岩的瞬时弹性模量基本不变,而滞后弹性模量、稳定黏性系数和蠕变破坏时间均减小;加载方向与片理面垂直时,石英云母片岩具有较强的黏塑性和较高强度;加载方向与片理面平行时,石英云母片岩具有较强的瞬时弹性、黏弹性、黏性和延性.      

考虑隧道围岩蠕变的复合式衬砌受力规律

将锚杆作用力视为体力作用于围岩内, 将初期支护与锚杆锚固范围内的围岩视为围岩加固体, 建立了围岩力学模型, 基于统一强度理论分析了隧道蠕变条件下的围岩应力与变形规律, 推导了复合衬砌应力与变形表达式, 分析了隧道围岩蠕变过程中支护结构受力特点及不同初期支护强度下二次衬砌受力变化规律。分析结果表明: 当初期支护按照“初期支护应与围岩共同受力且能保证施工阶段安全”的原则进行设计时, 在围岩蠕变作用下, 锚杆与喷射混凝土最大受力分别为48、286kPa, 与开挖阶段相比分别增大了57.5%、13.7%, 且超过支护结构最大承载力, 说明在进行初期支护设计时, 仅满足隧道开挖过程中围岩稳定而不考虑蠕变产生的附加应力影响, 可能造成隧道运营过程中初期支护结构破坏, 不利于隧道稳定; 当二次衬砌厚度由300mm增大至500mm时, 二次衬砌最大受力增大了40.5%, 荷载分担比由25.2%增大至36.2%, 而增大初期支护强度后, 二次衬砌受力减小了14.5%, 荷载分担比由25.2%减小至22.3%, 说明二次衬砌荷载随初期支护强度增大而减小, 而随自身强度增大而增大, 应重视初期支护与二次衬砌支护强度的协调配置, 实现围岩压力的合理分配; 在软岩地质条件下, 应保证隧道施工过程中围岩稳定并避免围岩蠕变过程中发生结构破坏, 以实现初期支护与二次衬砌共同承担蠕变引起的附加应力。      

基于FLAC^3D不同震级下压力型锚索内力变化研究

采用FLAC^3D软件模拟分析压力型锚索在地震荷载作用下的砂浆主应力、砂浆与岩体孔壁间剪应力、锚索轴向力变化情况,可为边坡工程中压力型锚索的应用提供参考。     

公路隧道围岩变形破坏理论研究

采用理论分析、数值模拟以及现场监控量测等手段对公路隧道围岩变形破坏理论进行较深入的研究。通过分析开挖过程中围岩损伤演化,获得了损伤变量与围岩材料参数之间的关系,提出了围岩力学参数的预测方法。通过岩体破坏机理、围岩损伤应力影响范围以及影响围岩稳定性的各个因素综合研究,建立了卸荷状态下的围岩损伤本构关系和基于能量耗散的损伤本构模型。基于一般弹塑性数值分析原理,建立了考虑围岩参数劣化过程的隧道围岩损伤演化分析方法,分析了开挖应力状态下隧道围岩的弹塑性损伤演化机理。建立了基于经验公式和基于围岩渐进性破坏理论的公路隧道围岩压力演化趋势及预测模型,提出了公路隧道围岩压力演化趋势的预测方法。