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。     

冻结黏土力学特性分析及改进S-M蠕变模型

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。     

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。     

含水岩体非线性蠕变损伤模型及应用

岩体含水是岩体失稳的重要因素之一。将传统西原模型的线性牛顿体改为非线性牛顿体,克服了传统西原模型不能反映加速蠕变阶段非线性特征的缺点;考虑水对岩体蠕变的影响,将改进西原模型的模型参数设为含水率的函数并引入P元件,P元件所产生的变形代表是由水压的作用引起的变形量;为了量化水压对蠕变变形的影响提出水化因子λ的概念;蠕变过程中岩体的蠕变参数具有时效性,借助损伤力学的方法可以有效地实现岩体材料的劣化及蠕变参数的非定常特性;模型参数中蠕变寿命和极限强度由蠕变试验确定,其余参数由蠕变试验数据运用1st Opt软件反演得到;最后将蠕变模型应用于开挖岩体的蠕变分析中,发现岩体中的水增加了井壁的应力水平,加快了井壁的蠕变变形,这对工程实践有重要的指导意义。     

人工冻结黏土承载力模型试验及数值模拟分析

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。     

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。     

砂岩卸围压蠕变特性及非定常蠕变模型

为了研究在不同围压卸载条件下,砂岩蠕变变形的变化规律以及蠕变参数劣化规律,采用TAW-2000试验机对砂岩进行室内分级卸围压蠕变试验研究,然后结合损伤力学理论将蠕变参数非定常化,建立非定常参数西原蠕变模型,最终将试验数据与模型曲线进行对比验证。试验结果表明:对砂岩进行不同初始轴向应力的卸围压试验,岩石的蠕变泊松比与蠕变变形一样,都具有衰减、稳定和加速三个阶段,蠕变泊松比是一个时间的函数,在加载过程中蠕变泊松比都超过常规状态下的值,甚至超过1;建立非定常模型与试验数据具有良好拟合度,它不仅准确地反映了衰减和稳定蠕变阶段蠕变特性,也克服了传统西原体难以描述加速蠕变的缺点。     

考虑强度参数劣化的砂岩非定常蠕变模型研究

为了更好地研究岩石在不同应力作用下的蠕变变形特性,采用TAW-2000岩石试验系统对围岩开展了单轴蠕变试验;将西原体模型蠕变参数转化为关于时间的函数,且将强度参数也转化为关于时间的函数,进一步将屈服函数非线性化,构建出一种新型的非定常分数阶蠕变模型,并通过试验数据来验证模型的正确性与合理性。结果表明:轴向蠕变变形总体上随应力水平的增加而增加,但蠕变变形占总变形的比例先增大再减小,反映了试样内部结构的不断损伤与劣化过程;该模型不仅准确地反映了衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性,也克服了传统西原体模型难以描述加速蠕变的缺点;同时考虑到蠕变参数随应力和时间变化发生的劣化,可以更好地描述不同应力状态下岩石的蠕变损伤过程,为建立非定常蠕变模型和确定模型参数提供一个新的思路。     

基于西原模型的非线性黏弹塑性流变模型

在西原模型的基础上，引入能反映加速蠕变起始点的非线性黏塑性元件和瞬时塑性变形的塑性元件，建立了一个能完整反映蠕变全过程的非线性黏弹塑性流变模型. 在其一维流变模型结构的基础上建立三维的流变模型，推导三维流变方程，接着探讨了在三轴压缩试验中确定三维蠕变参数的方法，并对参数进行了敏感性分析. 用三轴压缩试验结果验证模型的有效性，结果表明模型能很好地模拟蠕变的三阶段，并且在多级偏应力水平下可以采用同一组蠕变参数.     

高地应力围岩流变特性及竖井长期稳定性分析

基于自行研制的重力加载流变仪,采用多级加载对4种典型矿岩开展了三点弯曲蠕变试验研究,获得了蠕变试验曲线.将Burger's模型与Mohr-Coulomb准则相结合,形成改进的Burger's模型.并通过最小二乘法对均质混合岩进行蠕变参数拟合,获得了与蠕变试验曲线相吻合的蠕变理论曲线.结果表明改进的Burger's模型能较好地描述均质混合岩的蠕变特性.在此基础上,采用该流变模型,对返修后的竖井工程进行三维流变数值模拟和稳定分析,为竖井工程的长期稳定预测和失稳风险预测提供了理论依据.     

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。     

基于邓肯-张的冻结粉质粘土本构模型试验研究

为研究冻结粉质粘土强度和变形特性,以沈阳地铁DK11+395联络通道处人工冻结粉质粘土为研究对象,通过冻土三轴剪切试验,研究了不同试验条件下冻结粉质粘土的强度和变形特性。试验结果表明：围压、温度和试件初始含水量是影响冻结粉质粘土强度和变形的主要因素。冻结粉质粘土偏应力-应变曲线呈应变硬化型,其破坏强度和切线弹性模量随围压和试件初始含水量的增加而增大,随温度的升高而减小,破坏偏应力比Rf取值在0.79~0.96之间。基于试验数据建立了以上述三因素为影响因子的冻结粉质粘土Duncan-Chang模型。通过回归分析,建立了模型参数a和b与围压、初始含水量和温度之间的线性回归公式。将依据模型计算的偏应力-应变曲线与对比试验曲线相比较,发现两者具有较好的吻合程度,说明建立的模型能够准确反映围压、初始含水量和温度等条件对冻结粉质粘土强度和变形的影响规律。上述研究成果为冻结粉质粘土强度和变形特性的研究提供了参考,为人工冻结法施工提供了指导,具有重要的理论意义和工程应用价值。     

STUDY OF CREEP PARAMETERS OF GRANITE IN STEADY STATE UNDER CONDITIONS OF HIGH TEMPERATURE AND HYDROSTATIC PRESSURE

高温高压花岗岩钻孔实验表明,温度低于500℃,静水应力低于150MPa 状态下,岩体的钻孔变形均属于稳态蠕变变形阶段. 该文选取了广义开尔文模型来反映其特征,通过拉普拉斯变换及逆变换,详细推演出了钻孔径向位移解析解,并且考虑温度-应力的耦合效应,给出了模型参数随温度及应力变化的关系式. 利用该关系进行拟合计算,说明广义开尔文模型来表达高温高压环境中的花岗岩稳态蠕变变形特性,寻求蠕变参数是合理可靠的. 该文对于高温岩体地热资源开发中的钻孔施工与维护、钻孔变形量预测等方面,具有实际的指导意义.     

冻土可钻性理论分析及影响因素探讨

采用冲击载荷下的弹性波理论对冻土可钻性进行了理论分析 ,并分析了影响冻土可钻性的主要因素 ,即温度、波速、冲击韧性和凿碎比功 ,进行了冻结粘土在 7个不同温度下的可钻性试验 ,结果表明利用凿碎比功来确定冻土的可钻性 ,数据稳定 ,和钻眼相关性好 ,能较好的反映冻土可钻性。试验得出的结论对现场施工具有一定的参考价值     

胶凝原油蠕变的时间-温度-应力等效性

黏弹性蠕变是胶凝原油重要的流变特性，要描述胶凝原油的黏弹性蠕变行为，必须同时考虑 应力、时间和温度等参数. 于是对胶凝原油进行了不同应力和不同温度下的蠕变实验，利用 时间-温度-应力等效原理分析了胶凝原油的非线性蠕变行为，得到了参考应力和参考温度下 的蠕变主曲线，并用黏弹性流变模型拟合得到了蠕变主曲线的表达式. 从而可以分别通过较 高温度和应力水平下的短期蠕变行为来预测较低温度和应力水平下的长期蠕变行为.     

含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析

从复合材料的细观力学机理出发，建立了含损伤的冻土弹性本构模型. 对于在不同冰体积 含量和不同温度下的冻结砂土，由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较 吻合. 利用自主开发的程序，分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场3场耦 合进行数值模拟，得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦 合的计算结果，与前人的计算及实测结果相符合，规律一致. 表明该程序能够计算冻土材料 的相关物理量，并能很好地描述这些相关物理量之间的关系.     

Comparative yield stress determination for pure and interstratified smectite clays

Different experimental devices and operative procedures were used to obtain the main properties of suspensions of two purified clays, a pure smectite and an interstratified illite-smectite natural clay, at different concentrations. The yield stress values derived from flow and creep tests were found to be very consistent, while those derived from dynamic tests were observed to be much more sensitive to experimental conditions. Qualitatively, the two clays exhibit the same rheological behaviour, which can be modelled using the Herschel-Bulkley model; their yield stress increases with clay concentration and they present a thixotropic character for low concentrations, with an inversion of the curves when the clay concentration increases. However, significant differences were observed when considering numerical values. For the same clay concentration in the suspension, the yield stress of the pure smectite is distinctly higher than that of the interstratified one. The rheological properties of the pure smectite clay can be related to the swelling properties and the organisation of the minerals in water, leading to three-dimensional strong but deformable structures. On the other hand, the presence of a small percentage of illite in the natural clay gives it a brittle behaviour which collapses more easily under stress.     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型1）

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.