岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 454-464.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0273

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于分数阶积分的软弱夹层蠕变损伤模型研究

曹建军1, 2,胡斌1, 2,王泽祺1, 2,李京1, 2   

  1. 1. 武汉科技大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081; 2. 武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点试验室,湖北 武汉 430081
  • 收稿日期:2023-03-04 接受日期:2023-07-02 出版日期:2024-02-11 发布日期:2024-02-06
  • 通讯作者: 胡斌,男,1974年生,博士,教授,博士生导师,主要从事边坡稳定性论证与动态调控等方面的研究。E-mail: hbin74@wust.edu.cn
  • 作者简介:曹建军,男,1999年生,硕士研究生,主要从事岩石力学及边坡稳定性分析等方面的研究。jianjuncao100@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金重点项目(No. U1802243);武科大重大科技项目培育类创新团队(No. 2018TDX01)。

Creep damage model of weak interlayer based on fractional order integral

CAO Jian-jun1, 2, HU Bin1, 2, WANG Ze-qi1, 2, LI Jing1, 2   

  1. 1. Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China; 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430081, China
  • Received:2023-03-04 Accepted:2023-07-02 Online:2024-02-11 Published:2024-02-06
  • Supported by:
    This work was supposed by the Key Program of National Natural Science Foundation of China (U1802243) and the Wuhan University of Science and Technology Innovation Team for Cultivation of Major Science and Technology Projects (2018TDX01).

摘要: 软弱夹层作为边坡的“薄弱环节”,时刻威胁着边坡的稳定性。以我国西南地区广泛存在的二叠系炭质泥页岩软弱夹层为研究对象,开展了软弱夹层蠕变特性的研究,在常规剪切试验的基础上进行分级剪切蠕变试验,系统分析了软弱夹层的剪切变形规律,并采用稳态蠕变速率法确定了软弱夹层的长期强度。基于Riemann-Liouville分数阶积分理论及统计损伤理论对传统西原模型进行了改进,利用自适应差分进化算法结合软弱夹层剪切蠕变试验曲线验证了模型的准确性,并进行了参数敏感性分析。研究表明,改进后的模型可以完整地描述软弱夹层蠕变的3个阶段;蠕变曲线的变化由微分阶次γ、形状参数m及比例参数F0共同控制;m反映软弱夹层的脆性特征,F0则表征软弱夹层的物理力学强度。该研究结果可为含软弱夹层边坡的防灾监控与稳定性分析提供理论依据。

关键词: 软弱夹层, 分数阶积分, 蠕变模型, 参数辨识, 敏感性分析

Abstract: The soft interlayer, often considered the “weak link” of slopes, poses a significant threat to slope stability. This study focuses on the Permian carbonaceous shale soft interlayer commonly found in Southwest China. The creep characteristics of the soft interlayer were investigated, and a graded shear creep test was conducted in addition to conventional shear tests to analyze the shear deformation behavior of the soft interlayer comprehensively. The long-term strength of the soft interlayer was determined using the steady-state creep rate method. Building upon the Riemann-Liouville fractional order integral theory and statistical damage theory, an improved model based on the traditional Nishihara model was developed. The accuracy of the model was verified using the adaptive differential evolution algorithm in combination with the weak interlayer shear creep test curve, followed by a parameter sensitivity analysis. The results demonstrate that the improved model adequately describes the three stages of creep in the weak interlayer. The creep curve is influenced by the differential order γ , the shape parameter m, and the proportional parameter F0. Parameter m reflects the brittle characteristics of the soft interlayer, while parameter F0 characterizes its physical and mechanical strength. The research results can provide a theoretical basis for disaster prevention monitoring and stability analysis of slopes with weak interlayer.

Key words: weak interlayer, fractional order integrals, creep model, parameter identification, sensitivity analysis

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