考虑温度和时间效应的多年冻土本构模型及参数标定方法

1.考虑温度和时间效应的多年冻土本构模型及参数标定方法，其特征为：步骤1，模型基本框架构建：建立涵盖温度效应和时间效应的冻土本构模型总体架构，明确模型的核心模块及其交互关系；通过定义温度对冻土强度、前期固结压力、临界状态的影响机制，以及时间效应对蠕变行为的描述框架；步骤2，室内试验与核心方程构建：通过系统性室内试验，获取不同温度、应力路径下冻土的关键力学参数，并基于试验数据建立描述温度与时间效应的核心方程；步骤3，弹塑性本构关系构建：基于统一硬化UH理论框架，构建冻土的弹塑性本构关系，通过引入温度敏感参数，实现冻土在升温或降温过程中屈服面变化的动态模拟；步骤4，考虑温度与时间效应的应力应变关系构建：将时间硬化蠕变模型与弹塑性本构关系耦合，建立统一的应力应变增量关系，通过引入温度相关的蠕变速率方程，描述冻土在长期荷载和温度变化下的蠕变特性；步骤5，模型参数反演标定：采用全局优化算法，结合多源试验数据对模型参数进行高效反演；通过最小化模型预测值与试验数据的误差，确保模型在复杂环境下的普适性和精度；所述步骤2进一步包括如下内容：（1）温度对前期固结压应力的影响：基于不同温度区间冻土前期固结压应力随温度变化关系，采用以下指数型公式描述： （3）式中，T为当前温度；p xT 为当前前期固结应力；p xmin 和p xmax 为高温和低温区域对应的渐进值，即前期固结应力的最小和最大值，k px 为T=0℃附近段斜率；（2）温度对强度的影响：通过一系列不同围压下的剪切试验，测量冻土在剪切过程中达到的最终应力状态，在有效平均应力p和偏应力q的p-q坐标系空间中绘制临界状态线；（3）温度、时间因素对变形影响：基于试验结果构建时间硬化蠕变THC模型，采用逆指数型温度影响因子及典型幂函数型含水量影响因子组合型式，构建改进的时间硬化蠕变TWTHC模型： （19）式中， 代表轴向蠕变应变速率；q代表广义剪应力，在单轴压缩应力路径下围压为0，此时q等于轴向应力 ；t为时间；T为温度；w为含水量；A、n、m、d和e代表时间硬化蠕变模型参数；上式对时间t积分即可得到不同应力、温度和含水量条件下冻土应变随时间的变化关系，即该模型表示为应变速率的形式，也可表示为应变量的形式；所述步骤3进一步包括如下内容：引入温度、时间效应的影响，在屈服准则即当前屈服面和参考屈服面函数中，建立考虑温度和压融影响的临界状态参量M T ，包含融土临界状态参数M、抗拉强度σ 0 和压融应力p m ，实现强度变化对屈服面和弹性模量E的影响，通过在超固结参数R中引入前期固结压力p xT 考虑温度对应力应变的影响，建立了统一考虑正、负温阶段的温度加载线，用于描述正、负温阶段前期固结压应力p xT 随温度变化关系，改变屈服面大小；在流动法则中，塑性势面考虑临界状态参量M T 的影响；在硬化规律中，硬化参数H中更新了临界状态参量M fT 及M T ，同时考虑了全时段温度区间前期固结压应力p xT 的作用；所述步骤4进一步包括如下内容：总应变增量dε ij 为弹性应变增量dε e ij 、塑性应变增量dε p ij 以及蠕变应变增量dε cr ij 之和，其表达式如下 ；其中：dε ij 为总应变增量，dε e ij 为弹性应变增量，dε p ij 为塑性应变增量，dε cr ij 为蠕变应变增量；下角标ij代表应变张量中分量对应的方向，上角标e表示弹性elastic，p表示塑性plastic，cr表示蠕变特性creep。 2.根据权利要求1所述的考虑温度和时间效应的多年冻土本构模型及参数标定方法，其特征为： 所述步骤5进一步包括如下内容：模型待定参数：考虑温度和时间效应的多年冻土本构模型涉及到的待定参数包括临界状态应力比、泊松比、卸载线和压缩线斜率、初始温度T 0 对应的前期固结压应力、前期固结压力随温度变化曲线0点的斜率及最大渐近值、粘聚力随温度变化斜率、临界状态线峰值点压应力、时间硬化蠕变参数。 3.根据权利要求2所述的考虑温度和时间效应的多年冻土本构模型及参数标定方法，其特征为： 所述步骤5进一步包括如下内容：基于反演方法确定本构模型参数的过程主要步骤如下：①优化算法读入待优化参数的个数和范围并生成多组模型参数；如果优化算法处于第一代，则种群内所有个体或所有组模型参数是随机产生的；如果是第二代及其以后的迭代代数，则种群内所有个体或所有组模型参数是优化算法根据各组模型参数的误差函数值反馈而产生的；②计算误差函数作为优化问题的目标函数值：本构模型整体架构由考虑温度与时间效应的弹塑性本构以及应力应变增量关系构成，弹塑性本构基于广义胡克定律、硬化规律、屈服函数及流动法则获取弹塑性应力应变增量及刚度矩阵，进而耦合时间硬化蠕变方程获取的蠕变增量构建总应力应变映射关系；在进行误差计算时，本构模型读入从优化算法传出的模型参数和根据试验知道的初始条件计算应力应变曲线预测值，并根据应力应变曲线预测值和试验应力应变曲线测量值计算误差函数；最后将误差函数值作为目标函数值返回给优化算法；③优化算法根据传出参数对应的误差函数值尝试产生更好的解，以期使误差函数的值更小，由此使得应力应变曲线预测值与试验中应力应变曲线测量值更为接近；④以上过程循环往复，直到满足终止条件：终止条件可能是优化算法达到最大迭代次数，或者是误差函数的值在优化算法中经过指定的迭代代数仍不下降，或者误差函数调用次数达到设定的最大值，或者误差函数小于设定值。 4.根据权利要求3所述的考虑温度和时间效应的多年冻土本构模型及参数标定方法，其特征为： 所述步骤5进一步包括如下内容：模型参数反演耦合优化算法：基于差分进化算法与状态转移算法局部搜索算子相耦合的优化算法对本构模型参数进行反演，算法主要步骤如下：①确定差分进化算法和修正的局部搜索算子的算法控制参数；②基于Sobol方法随机产生初始种群，并对初始种群进行评价；③判断是否达到终止条件或达到最大进化代数：若是，则进化终止，将此时的最佳个体作为解输出；否则，继续下一步操作；④对差分进化算法的变异算子控制参数F和交叉算子控制参数CR动态调整，之后进行变异操作和交叉操作，对边界条件进行处理，得到临时种群： （50） （51）式中，g表示当前代数，G表示允许优化的最大代数；变异算子在开始时取为1，结束时接近0.5；rand函数表示取0到1之间的均匀随机数；⑤对临时种群进行评价，计算临时种群中每个个体的目标函数值，汇总原种群和临时种群得到全局最优本构模型参数；⑥根据最近几代最优本构模型参数计算耦合概率p g ，如果耦合概率p g 大于0到1之间的随机数则对全局最优模型参数执行局部搜索操作；⑦对临时种群中的个体和原种群中对应的个体，进行“一对一”的选择操作，得到新种群；⑧进化代数g = g+1，转步骤④。 5.根据权利要求4所述的考虑温度和时间效应的多年冻土本构模型及参数标定方法，其特征为： 所述步骤5进一步包括如下内容：数据格式应能支撑5种应力路径的试验数据输入表格，包括等向压缩试验1_IsoCom、围压不变的排水三轴剪切试验2_CD、围压不变的不排水三轴剪切试验3_CU、侧限固结试验4_K0、等p应力路径排水剪切试验5_ConstP；5种试验的输入格式相同，都包含备注行、初始条件区域、试验数据区域和操作按钮区域；其中试验数据区域随着试验类型不同数据类型会有所差别，包括平均应力p ,单位：kPa、体积应变 、孔隙比e、轴向应变 、轴向应力 ，单位：kPa、剪应力 q,单位：kPa，并包含时间与温度效应列，即时间t ，单位：s、温度T ℃。 6.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行权利要求1-5任一所述的方法。 7.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括：处理器、存储器、通信接口和总线；所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述总线连接并完成相互间的通信；所述存储器存储可执行程序代码；所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于执行如上权利要求 1-5任一所述的方法。