流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究

高地应力深埋软岩隧道大变形问题已成为隧道工程建设领域的突出难题. 根据高地应力深埋软岩隧道的变形特征, 基于"围岩能量吸收、变形释放"的让压支护是解决软岩隧道大变形问题的有效方法. 针对流变岩体中深埋圆形隧道在让压支护作用下的力学响应问题, 通过引入分数阶微积分理论, 采用Abel黏壶元件建立了改进的分数阶Burgers蠕变模型来表征围岩的时效变形. 此外, 通过在让压支护不同变形阶段引入刚度修正系数, 克服了传统支护未能考虑围岩变形释放的问题. 据此, 本文推导了在考虑支护延迟安装影响下, 不同变形阶段围岩与让压支护相互作用的解析解. 为了验证理论研究的正确性, 对一算例进行了不同解答及工程结果的比对, 吻合较好. 最后, 参数研究结果表明: 围岩与让压支护间的相互作用受蠕变本构模型分数阶阶数影响较大. 隧道的位移或支护压力与让压位移、支护刚度修正系数间存在线性比例关系, 但由于刚度修正系数仅保持在较小的变化范围内, 隧道的位移或支护压力变化并不显著.      

粘弹性岩体中支护圆形洞室施工过程的解析分析

地下洞室的开挖与支护是逐步的连续过程。对具有流变效应的粘弹性岩体,流变时效与施工效应发生耦合,变形与时间相关。针对深埋圆形洞室的施工,用半径时变函数模拟断面开挖过程。当岩体模拟为任一粘弹性材料时,将方程进行拉普拉斯变换求得位移通解,逆变换后代入边界条件确定待定函数,最终得到用洞周面力表达的围岩应力、位移统一解。区分开挖与支护时段,将半径时变函数、洞周面力不同表达式代入,利用支护后围岩与弹性支护接触条件建立关于支护力的Volterra积分方程。当岩石模拟为Boltzmann粘弹模型时,代入材料参数可求解积分方程得到支护力的确切表达,并进一步求得开挖过程及任意时刻支护后应力、位移分段解析表达式。表达式和算例分析表明:加支护后的径向位移增长呈指数形式变化且最终稳定于某一数值。最终洞型相同时,采用不同断面开挖速度且挖完立即支护时,开挖较快的情况位移变化较剧烈,而支护后最终稳定位移较小;但是,相应支护阶段产生的位移较大,支护力也较大。文中给出的方法可用于计算圆形洞室半径任意开挖并加支护后的应力、位移,适用于任一粘弹模型岩体的施工分析。     

衬砌与土相互作用的圆形隧洞分数阶热弹性动力响应

衬砌作为地下工程的重要支护结构,常受到一些苛刻环境的作用,例如高温和冲击。考虑衬砌结构与土的动力相互作用,研究了圆形隧洞衬砌-土系统在热源和力源共同作用下的瞬态热弹性动力响应。基于分数阶热弹性理论,采用Laplace变换和微分算子分解法得到了土体的温度增量、位移、应力的解析表达式。将衬砌结构视为均匀弹性介质,得到了衬砌的温度增量、位移、应力解析解。利用衬砌内边界及衬砌与土体界面处连续性条件,在Laplace变换域内给出了深埋圆形隧洞衬砌-土系统的热弹性动力响应解答。采用Laplace逆变换Crump数值反演方法,得到了时域内衬砌-土系统热弹性响应的数值解。结果表明:随着分数阶参数?的增加,径向位移、径向应力逐渐增大,而其对环向应力的影响较小。在突加荷载和阶跃荷载作用下,随着分数阶参数?的增加,温度增量逐渐增大。     

分数阶微分流变模型圆形硐室黏弹塑性分析

基于分数阶微分黏弹塑性流变模型,同时考虑受硐室掌子面影响的围岩应力释放效应,根据Laplace变换、分数阶微积分理论、Mittag-Leffler函数,推导了圆形硐室黏塑性区半径、应力、位移的理论解。将理论解与西原本构模型解进行对比,证明了分数阶模型解的合理性。分析结果表明:黏塑性区半径、洞壁环向应力的分数阶微分模型解和西原模型解随时间最终都趋于稳定,两种解法在稳定前有一定差异,稳定后大小相同;一定范围内,掌子面对围岩变形具有一定抑制作用,越靠近掌子面,黏塑性区半径和洞壁径向位移越小;流变特征对硐室围岩黏塑性区环向应力的影响较大,离硐室圆心越近,影响效果越明显,而黏塑性区径向应力和黏弹性区环向应力、径向应力受围岩流变的影响较小。     

黏弹性准饱和土中球空腔动力特性

在频率域内研究了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中球空腔的稳态动力响应. 通 过引入与孔隙率有关的应力系数合理地确定了介质和孔隙水共同承担的内水压力值. 将土骨 架和衬砌分别视为具有分数导数本构模型的黏弹性体和多孔柔性材料, 基于Biot两相介质模 型, 通过引入位移势函数解耦得到了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中半封闭球 形空腔的位移、应力和孔隙水压力解析表达式. 考察了物性和几何各参数对球形空腔动力响 应的影响, 结果表明: 分数导数本构模型更合理地描述了土体的动力学行为; 饱和度对应力 和孔隙水压力影响较大, 而对位移影响较小.     

隧道施工中围岩与支护结构的黏弹性分析

本文结合某高速公路隧道设计与施工,利用黏弹性理论,对隧道围岩与支护结构时间相依应力与位移进行了研究。首先,将隧道开挖后围岩受力分析视为具有初始应力、在洞周位移作用下的边值问题,导出了隧道时间相依的围岩与支护结构应力与位移,结果表明,其应力和位移与隧道围岩和支护结构间相互作用相关。然后,利用变形协调条件,导出了隧道围岩与支护结构间的相互作用,结果表明,围岩、初期支护与二次衬砌之间的相互作用不仅与围岩和衬砌的材料性质、结构尺寸相关,而且与施做初衬和二衬的时间相关。最后,结合具体隧道设计与施工,利用本文时间相依应力,对围岩应力释放与支护施做时机、载荷分配与支护结构受力分析进行了探讨,给出了不同荷载分担比下二次衬砌的受力与变形,为隧道施工与设计提供参考。     

基于非局部理论的分数阶黏弹性场地地震放大效应分析

基于非局部理论和分数阶导数理论,研究上覆黏弹性场地土的地震放大效应。利用Eringen非局部理论考虑土体颗粒尺度等非局部效应的影响,通过分数阶黏弹性本构模型刻画场地土的应力应变本构关系,建立基于非局部理论的分数阶黏弹性场地土的振动微分方程;考虑分数阶导数的性质和黏弹性场地土的边界条件,得到了简谐地震波作用下黏弹性场地土的位移和剪切应力的解析解,并在频率域内给出了位移放大系数和应力放大系数的表达式;最后通过数值算例分析了非局部效应、分数阶导数的阶数和土体黏性参数等对黏弹性场地地震放大效应的影响。数值分析结果表明,在低频时位移放大系数和应力放大系数随频率变化曲线存在波动,高频时逐渐趋于稳定;非局部效应对场地土位移放大系数的影响与频率有关,对应力放大系数的影响较大,在研究场地土振动效应时有必要考虑土体非局部效应的影响;分数阶导数的阶数越小,位移放大系数和应力放大系数随频率变化曲线波动越大;场地土的力学性质对场地土的振动效应的影响较大;上覆场地土的黏性对位移放大系数的影响与频率有关,高频时,土体黏性越大,位移放大系数越大;越接近基岩,土体的应力放大系数越大,且土体深度对应力放大系数的影响越大。     

无限粘弹性平面中椭圆孔口变边界过程的复变函数解答

工程中存在一类几何边界随时间变化的变边界结构,例如土木工程中处于施工阶段的结构。本文以粘弹性岩体中隧道开挖为背景,尝试用变边界问题对应关系和平面弹性复变方法求取无限平面中椭圆孔口自相似变边界情况下的解析解答。首先建立了复变函数法求解变边界粘弹性问题的基本步骤和公式。然后通过建立逆映射函数将已知?平面复位势转至z平面,从而解耦参与拉普拉斯变换的时间与孔口映射函数所带来的时间,从而导出了粘弹性类材料的应力与位移的统一表达。作为一个例子,本文选择Boltzmann粘弹性模型,代入模型参数后得到积分形式的位移、应力解析解,通过与数值解的比较验证了该解答的可靠性,并通过一个算例分析了变边界过程对位移、应力的影响。分析结果显示,采用不同变边界过程的位移、应力变化形态和数值均有差别。本文解答可用于进行地下椭圆孔型隧道在开挖过程中的力学分析,为实际工程提供初步设计的手段。此外,本文给出的方法可用于推导任意形状孔型变边界问题的解答。     

金川露天矿边坡岩体移动和变形的光弹性软材料模拟实验研究

通过对边坡岩体破坏机理的光弹性力学模拟实验研究, 岩体在地应力作用和自重体积力作用下, 对露天矿边坡的力学状态具有明显地影响。实验采用了明胶软材料, 模型比例1：1100。实验模拟了在自重应力和构造应力作用下, 边坡岩体的位移和变形。     

半封闭分数导数粘弹性衬砌隧道的频域响应

混凝土衬砌具有粘弹性性质,以往的经典Kelvin模型、弹性理论和壳体理论都不能刻画其蠕变的全过程。本文基于饱和多孔介质理论,在频率域研究了轴对称荷载和流体压力作用下饱和粘弹性土中半封闭分数导数型衬砌隧洞的稳态动力响应。在引入隧洞部分透水边界条件的基础上,通过分数阶导数粘弹性模型描述衬砌的应力—位移本构关系,并利用衬砌内边界以及接触面的连续性条件,得到了饱和土和衬砌的应力、位移和孔压解答。考察了分数导数阶数、材料参数以及衬砌和土体相对渗透系数的影响。研究表明：分数导数阶数对系统响应影响较大,且依赖于衬砌的材料参数。另外,相对渗透系数对系统响应的影响很大。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷,首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点,建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体.将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联,建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型,根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程.然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处,并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程.最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证,结果表明:拟合曲线与试验曲线吻合度较高,所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律,尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好,验证了模型的合理性.     

基于改进西原模型巷道围岩流变参数反演分析

当应力达到一定水平时,岩石经过衰减和稳定蠕变过程之后会发生加速蠕变破坏,但是传统西原体模型无法更有效地反映该加速蠕变阶段。为了解决这一问题,引入一个非线性流变元件,并将其串联在西原体模型上,组成一个新的六元件模型,该模型可充分反映岩石蠕变的三个阶段。基于改进的西原体模型本构方程,应用Laplace变换,得到了盾构圆形巷道围岩的径向位移变化规律;根据巷道围岩收敛变形现场实测数据,反演得到了岩石黏弹塑性蠕变参数;由巷道围岩径向位移计算结果和实测数据对比分析表明:两者吻合较好;当t ≤25 d时,巷道围岩处于加速变形阶段,其径向位移变化速率随时间的增长而不断增加,当t>25 d时,巷道围岩进入稳定变形阶段,随时间的推移,其径向围岩位移变化速率逐渐趋于稳定。     

基于Weibull分布的盐岩分数阶蠕变本构模型研究

采用流变程控仪对湖北江汉油田盐岩试样进行了三轴蠕变实验。基于Weibull随机分布获得岩石损伤变量随加载时间的变化形式,构建了变黏性系数Abel粘壶本构关系。基于分数阶微分理论,采用将变黏性系数Abel粘壶替代西原正夫模型中Newton粘壶的方法,建立了盐岩蠕变损伤本构模型,并采用最小二乘法拟合获得了该本构模型中的参数。通过拟合曲线对比发现,本文提出的盐岩分数阶蠕变本构模型在描述盐岩的蠕变全过程,尤其是加速蠕变过程中具有较明显的优势,并且验证了西元正夫模型为本文所提出的本构模型的一个特例。     

考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型

为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征,基于水岩作用的化学动力学理论,定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子,将弹性体,非线性Kelvin体,线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联,并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况,建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型,通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证,并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程,探讨中间主应力对蠕变模型的影响.结果表明,推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性,验证了其合理性与准确性.     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

含水状态下油页岩非线性损伤蠕变特性研究

为研究水对油页岩蠕变规律的影响,以不同含水状态下油页岩三轴压缩蠕变实验数据为依据,对水作用下油页岩蠕变3个阶段各自的力学特征进行了分析。作者认为,在衰减蠕变和稳态蠕变阶段岩石内部损伤程度较小;当岩石处于加速蠕变阶段时,岩石内部不断产生损伤,呈现出明显非线性特征,同时水作用进一步加剧了岩石蠕变损伤程度。本文将非线性损伤演化方程引入到改进的Burgers模型中,将含水率变化引起的蠕变参数的变化引入到方程中,建立了不同含水率下油页岩非线性损伤蠕变模型。采用非线性最小二乘法反演蠕变参数,将蠕变方程计算结果与实验结果进行拟合,效果良好。     

尼龙6/蒙脱土复合材料蠕变行为研究

针对经典黏弹性模型不能很好分析黏弹性材料的蠕变行为问题,运用分数阶导数的类标准线性体模型与Prony级数模型研究了黏弹性材料尼龙6/蒙脱土复合材料的蠕变行为.采用原位聚合法制备了尼龙6/蒙脱土复合材料,在室温环境下对其进行蠕变实验.然后运用分数阶导数的类标准线性体模型和Prony级数模型对复合材料的蠕变实验数据进行分析...     

主应力轴旋转下黏土累积变形的分数阶元件模型

在长期交通载荷作用下土体塑性累积变形本构模型对路基沉降计算至为关键.元件组合模型可以计算岩土体循环累积应变,但现有的各类元件模型未能反映饱和软黏土的主应力轴循环旋转现象.在对饱和软黏土进行等向固结条件下的主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下的循环扭剪试验基础上,将Abel黏壶代替Burgers模型中的Newton黏壶,得到分数阶Burgers模型;利用遗传算法优化循环塑性累积应变的Burgers模型和分数阶Burgers模型的参数,通过对比两组模型的计算值与试验值,发现分数阶模型更适合模拟计算循环载荷下饱和软黏土的累积变形.