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。     

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.     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型

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.     

冻结黏土侧限压缩变形的S-M模型

为合理设计冻结壁及确保施工安全,掌握人工冻土侧限条件下压缩变形特性非常必要。对山西省某煤矿深部黏土在不同冻结温度、含水率下,采用分级加载的方式进行侧限一维压缩试验,得到一维压缩应力-时间-轴向压缩变形之间的关系,并根据曲线变化分析可知:同一含水率及加载应力下,温度越低,轴向压缩变形量越小;相同温度下,随着含水率和加载应力的增加,压缩变形量也逐渐增大。引入Singh-Mitchell(S-M)模型,同时考虑温度、含水率和加载应力为模型自变量,建立改进S-M模型,通过对轴向压缩变形取对数的方式计算改进S-M模型参数。将改进S-M模型计算结果与侧限一维压缩变形试验结果进行比较,研究发现:模型计算曲线与试验曲线吻合度较高,模型计算曲线能够反映冻土从初始变形状态到稳定变形状态的变形特性,能准确预测压缩变形曲线的变化趋势,且改进S-M模型涉及参数较少,实际应用价值高。     

冻结黏土单轴抗压试验及损伤本构模型分析

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。     

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。     

改进的西原模型及其在冻结壁上的应用

通过对现有流变模型的分析及结合室内冻黏土大量的单轴蠕变试验,试验结果表明可以忽略冻土的瞬时变形并采用简单的屈服函数对线性牛顿体进行简化,从而对西原模型进行了改进,并导出了改进后模型在三向应力条件下冻土的非线性蠕变方程．采用改进的西原模型推导了冻结壁应力场和位移场的理论计算公式,探讨了防止冻结管断裂的有效措施．计算和工程实例基本相符,可以应用于工程计算．     

一个基于塑性的损伤本构模型的参数辨识

研究了一个用于混凝土的基于塑性的损伤模型本构参数辨识问题。把从实验获得的应力-应变曲线与数值计算中获得的应力-应变曲线的差别,作为局部水平上最小二乘法的目标函数。为了求解这个反问题,局部水平上求解损伤弹塑性正问题的子程序被嵌入到本文的反问题的迭代格式之中。灵敏度系数矩阵是通过有限差分方法近似计算得到的。给出的数值计算例子计算了单轴压缩试验结果的参数辨识问题。采用反分析得到的模型参数值,对单向拉伸及三种不同侧压作用下的压缩试验进行了数值模拟。数值结果表明:本文采用的应力反分析计算格式稳定,且具有合理的准确性,数值计算得到的应力-应变结果可以较准确地拟合实验曲线。     

显式方法精确模拟形状记忆聚合物热力学行为

通过构建一个热耦合的多轴可压缩应变能函数,得到应力-应变、应力-温度和应变-温度之间的函数关系,建立形状记忆聚合物的本构方程.本文引入三个基于对数应变的不变量使得模型（i）可以模拟可压缩情况;（ii）适用于单轴拉伸和等双轴拉伸至少两个基准实验;（iii）多轴有效.通过显式方法（i）给出自由能和熵的具体表达,证明模型热力学定律;（ii）给出应变-应力,温度-应力以及,温度-应变的形函数具体表达.多轴模型在特定的情况下可以自动退化到各自的单轴情况. 通过调节形函数的参数,最终得到的模型结果和实验结果能够精确匹配.新方法建立的本构模型得到的结果能更加准确地指导形状记忆聚合物的工程设计。     

显式方法精确模拟形状记忆聚合物热力学行为

通过构建一个热耦合的多轴可压缩应变能函数，得到应力-应变、应力-温度和应变-温度之间的函数关系，建立形状记忆聚合物的本构方程.本文引入三个基于对数应变的不变量使得模型（i）可以模拟可压缩情况；（ii）适用于单轴拉伸和等双轴拉伸至少两个基准实验；（iii）多轴有效.通过显式方法（i）给出自由能和熵的具体表达，证明模型热力学定律；（ii）给出应变-应力，温度-应力以及，温度-应变的形函数具体表达.多轴模型在特定的情况下可以自动退化到各自的单轴情况. 通过调节形函数的参数，最终得到的模型结果和实验结果能够精确匹配.新方法建立的本构模型得到的结果能更加准确地指导形状记忆聚合物的工程设计。     

一种用于P92钢寿命预测的蠕变模型研究

首先分别在595℃、610℃、670℃下进行了P92钢的单轴蠕变拉伸实验。结果表明:当实验温度高于600℃时,应力和应变在双对数坐标下呈现非线性特征,蠕变过程无法通过Norton指数模型进行描述。为了进一步解决高温下蠕变寿命的计算和预测问题,本文提出了一种改进的蠕变本构模型;并在此基础上,引入损伤变量描述第三阶段蠕变。利用新的蠕变模型对P92钢在595℃、610℃温度条件下的蠕变过程进行了模拟,结果表明模型预测的蠕变寿命和实验值误差在5%之内,符合工程评估要求。     

应用自洽方法预测沥青混合料的蠕变行为

将沥青混合料看作是由沥青砂和粗骨料组成的两相复合材料,提出了应用自洽方法预测沥青混合料粘弹性性能的一般思路.采用四参量流变模型描述沥青砂的粘弹性能,通过 Laplace 变换将时间域的粘弹性问题转化为变换域的线弹性问题,然后经 Laplace 逆变换将变换域的解转化到时间域.利用不同温度、不同应力水平下沥青砂的单轴压缩蠕变实验,拟合四参量流变模型参数,预测了沥青混合料在不同温度和不同应力水平下的蠕变曲线,并与实验结果进行了比较,发现蠕变的早期阶段预测值与实验值基本符合.最后进一步分析了温度、应力水平对沥青混合料蠕变行为的影响.     

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。     

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.     

铝合金筋板蠕变全过程的Graham改进模型研究

采用分离模型推导了铝合金筋板的循环弹塑性在蠕变全过程的应力-应变增量关系,并用塑性增量及蠕变理论分析了筋板在温度场及应力应变场作用下的热弹塑性-蠕变力学性质。将蠕变应变增量以初应变形式置入ANSYS隐式蠕变方程中,推导出包含初应力和初应变过程的Graham改进模型。用提出的Graham改进模型对四应力水平下的筋板蠕变实验数据进行拟合,并对比分析。结果表明,拟合结果能够较好地表征铝合金筋板在不同应力水平下不同蠕变阶段的蠕变特性,且对高应力水平的加速蠕变特性具有很好的适用性。同时,Graham改进模型和传统模型的有限元模拟预测结果进一步验证了在同一位置时改进模型的误差更小,拟合效果更好。     

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。     

纯铝在单轴应力循环作用下棘轮行为的试验研究

对纯铝进行了单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。对纯铝应变循环下的循环应变幅值、应变幅值历史、平均应变对循环特性的影响进行了揭示，对纯铝在非对称应力循环下的应力幅值、平均应力及其历史对循环蠕变〈即棘轮〉的影响进行了分析，得到了纯铝单轴循环行为的一些有意义的结果。     

双基推进剂的高应变率力学特性及其含损伤ZWT本构

为了解双基推进剂在冲击载荷下的力学特性及本构行为,利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）对双基推进剂进行了单轴压缩实验,并对实验数据的有效性进行了检验。用二波法对实验数据进行处理,得到了双基推进剂的应力应变曲线。实验结果表明:双基推进剂具有明显的应变率相关性,动态下屈服应力与静态下相比明显提高,且屈服应力表现为应变率对数的双线性关系;双基推进剂屈服应变表现为延脆转换特性,在低应变率下表现为延展性,高应变率下表现为冲击脆化特性。利用含损伤朱王唐（ZWT）本构模型对实验结果进行了拟合,得到了模型中的本构参数,并对损伤因子项进行了分析。通过模型预测曲线与实验曲线的对比,发现含损伤ZWT本构能较好地描述双基推进剂在0～0.14应变范围内的力学特性。     

古树包滑坡滑带土蠕变经验模型

针对清江古树包滑坡滑带土的室内蠕变试验资料,结合经验模型理论,以双曲线函数描述蠕变应力-应变关系,并引入Morgan Mercer Florin函数,用来描述应变-时间关系,建立了一种新的蠕变经验模型。采用ε/ -ε关系曲线和遗传算法求解出了该模型的所有参数。经过计算,所建经验模型的计算结果与实际实验数据的相关系数在0.96以上,说明所建经验模型能有效地反映古树包滑坡滑带土的蠕变特性。