软土流变模型及其工程应用

论文摘要

软土是一种极其复杂的工程材料,其特殊的物质成分和复杂的结构决定了软土复杂的工程特性。在传统的土力学研究中,土被假定为弹性体或者弹塑性体,然而,无论是线性弹性体还是非线性的弹塑性体,其本构关系都是应力与应变两者之间的关系,与时间无关。而事实上,自然界土体的应力应变关系与时间紧密相关,因而在土体的本构关系中加入时间因素极为必要。这种包括应力、应变和时间三者在内的本构关系就是基于粘弹塑性理论而建立的土的流变力学。越来越多的工程实例表明,岩土很多工程的破坏都跟软土流变有关。因而,研究软土的流变特性具有重要的理论价值和实践意义。正如土的本构关系在土力学中的重要性,土的流变本构关系也是土流变研究的关键所在。因此,本文首先总结了以往研究软土流变本构模型的各种理论,分析了理论模型和经验模型的构造及其优缺点。针对软土流变的非线性,建立一个简化的半理论半经验的流变本构组合模型,用理论模型描述流变的线性部分,用经验模型描述软土流变的非线性部分,并把它应用于上海淤泥质粘土的流变分析中。其次,引入经典的BP神经网络,利用人工神经网络超强的非线性映射能力和容错能力,根据广东江门软土蠕变试验结果,建立广东江门软土流变的网络本构模型,既克服了以往分别按各分级载荷下蠕变试验数据拟和出蠕变本构模型使用不便的缺点,又克服了蠕变本构关系式难以合理构造的困难,并通过上海软土蠕变试验的进一步验证,具有可考虑因素多、拟合精度高、泛化预测能力强、适应性好等特点。最后,针对目前路基沉降计算和预测存在的困难和缺陷,引入了考虑流变的有限元计算方法,通过MSC.Marc/Mentat有限元软件,对杭州绕城高速公路的路基沉降进行了考虑流变和不考虑流变两种方案的有限元分析。结果表明,考虑软土流变的计算方案更符合路基实际沉降规律,在软土地基沉降计算中,特别是工后沉降,考虑软土的流变特性是非常必要的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外土流变学研究发展现状
• 1.2.1 土的流变学研究发展概况
• 1.2.2 土流变试验的发展
• 1.2.3 土的流变本构模型的发展
• 1.2.4 土流变的解析方法的发展
• 1.3 本文研究的主要内容和方法
• 第2章 软土的流变理论
• 2.1 土的流变性质
• 2.1.1 土的流变现象
• 2.1.2 软土的蠕变特性
• 2.1.3 影响土体流变性质的因素
• 2.2 流变理论概要
• 2.2.1 模型理论
• 2.2.2 遗传流变理论
• 2.2.3 老化理论
• 2.2.4 流动理论
• 2.2.5 硬化理论
• 2.2.6 速率过程理论
• 2.2.7 工程比拟法
• 2.3 线性流变模型理论
• 2.3.1 基本流变元件
• 2.3.2 土体流变的常见组合模型
• 2.4 非线性流变模型理论
• 2.4.1 线性模型理论的修正
• 2.4.2 经验模型
• 2.4.3 半理论半经验模型
• 2.5 半经验简化的非线性流变模型结构
• 2.6 小结
• 第3章 简化的半理论半经验流变本构模型
• 3.1 简化的非线性流变模型建立思路
• 3.1.1 非线性流变的划分
• 3.1.2 非线性流变的简化
• 3.1.3 非线性流变本构模型的建立
• 3.2 上海淤泥质软土非线性流变本构模型
• 3.2.1 淤泥质粘土非线性流变的划分
• 3.2.2 淤泥质粘土线性粘弹性阶段的流变本构模型
• 3.2.3 淤泥质粘土非线性粘塑性阶段的流变本构模型
• 3.3 小结
• 第4章 基于BP 神经网络的海相沉积软土流变本构模型
• 4.1 人工神经网络的基本理论
• 4.1.1 人工神经网络概述
• 4.1.2 人工神经网络的特点
• 4.1.3 人工神经元模型
• 4.1.4 人工神经网结构
• 4.1.5 神经网络的学习与训练
• 4.2 软土流变的BP 神经网络本构模型原理
• 4.2.1 软土 BP 神经网络本构模型构造
• 4.2.2 软土 BP 神经网络本构模型学习算法
• 4.2.3 BP 学习算法的改进
• 4.2.4 BP 网络泛化能力的提高
• 4.3 广东江门软土BP 神经网络蠕变本构模型
• 4.3.1 室内蠕变试验
• 4.3.2 广东江门软土 BP 神经网络蠕变本构模型及其训练
• 4.4 模型验证与讨论
• 4.4.1 BP 神经网络蠕变本构模型方法验证
• 4.4.2 讨论
• 4.5 小结
• 第5章 考虑软土流变的路基沉降有限元分析
• 5.1 概述
• 5.2 常见的地基沉降计算方法
• 5.3 常见的地基沉降预测方法
• 5.4 考虑软土流变的路基沉降有限元分析
• 5.4.1 有限元分析基本原理
• 5.4.2 MSC.Marc 有限元软件简介
• 5.5 工程实例
• 5.5.1 工程概况
• 5.5.2 有限元计算模型及参数
• 5.5.3 有限元计算结果
• 5.5.4 结果对比分析
• 5.6 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间学术论文发表情况