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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。     

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。     

不同加载速率下煤的侧向变形特征研究

利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统开展了5种不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了加载速率对煤体侧向变形特性的影响。研究结果表明:在裂纹闭合压密阶段、弹性变形至裂纹稳定扩展阶段,煤样变形以轴向压缩为主,侧向变形很小;在裂纹非稳定扩展阶段侧向应变开始加速增大,并在峰前应力调整阶段出现小幅陡增现象;在峰后扩容阶段煤样侧向应变急剧增大,呈现扩容与脆性破坏多次交替出现的特征,这一阶段大多数试件的侧向应变占总侧向应变的70%～90%。在加载初期煤样侧轴比处于较低水平,当轴向应力出现第一次跌落以后,煤样侧向应变快速增大,而轴向应变增加速度较小,导致试件侧轴比呈现快速增大直至试验结束。不同加载速率下煤样第一次出现轴向应力跌落时的侧向应变保持在3.0×10-3左右,表明在不同加载速率下煤样出现第一次轴向应力跌落时的侧向应变基本相同,可将侧向应变作为预测煤体破坏的控制变量。     

高应力高水压下砂岩三轴蠕变特性试验研究

对砂岩进行高围压高水压条件下的三轴压缩蠕变试验。试验表明,在整个加载过程中,孔隙水压力主要起到增强轴向变形和横向变形的作用;但在加载的初始阶段,孔隙水压力在一定程度上抑制了轴向变形。当应力水平高于屈服应力时,横向蠕变速率明显大于轴向蠕变速率,且横向蠕变率先进入加速蠕变阶段。本文提出一个新的非线性黏性元件,并引入一个能判断是否进入加速蠕变阶段的计时器元件,组建一个非线性黏塑性加速蠕变启动模型,将该黏塑性模型与Burgers模型串联,构建一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型在常规三轴应力状态下的本构方程。基于试验结果,通过对非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对本文提出蠕变模型的参数识别,识别效果比较理想。对比试验曲线与拟合曲线,二者相当吻合,验证了新提出的非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性。     

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．     

泡沫铝材料准静态本构关系的理论和实验研究

应用Chen和Lu提出的适用于可压缩弹塑性固体的唯象本构模型框架，建立了泡沫铝的准静态本构模型，推导了三维等比例加载和环向受约束轴向加载下的宏观应力-应变曲线. 对两种泡沫铝材料(开孔和闭孔)进行了4类准静态试验，即单轴压缩、三维静水压缩、三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩实验. 利用单轴压缩和三维静水压缩的实验结果得到了泡沫铝材料的本构参数曲线，并由此预测它在三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩情况下的响应. 理论预测与相应实验结果相比较，三维等比例压缩的结果比较吻合，但与侧向受约束轴向压缩的结果却相差很大. 分析表明，理论预测与侧向受约束轴向压缩实验结果的偏差是由于泡沫铝试件与约束筒之间的摩擦造成的. 研究结果说明, Chen-Lu模型能够很好地描述泡沫铝材料在压缩占主导的应力状态下的响应.     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

分级加载条件下紫色泥岩三轴蠕变特性研究

流变性质是岩石材料的重要力学特性,以紫色泥岩为例,在分级加载条件下研究了其三轴蠕变特性。采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变实验机,并配备三轴压力室,对紫色泥岩实施分级加载三轴蠕变实验。实验结果表明,紫色泥岩在相同轴压条件下,围压越大,瞬时弹性变形和蠕变变形越小;在相同围压条件下,轴压越大,二者变形越大。紫色泥岩的蠕变速率具有相同的变化趋势,且在相同轴压条件下,围压越大,稳定蠕变阶段的蠕变速率越不明显。另外,应力与瞬时应变线性拟合结果表明,瞬时轴向应变与轴向荷载近似成比例增长。通过分析紫色泥岩蠕变曲线变化趋势,认为采用H/M模型进行模拟较为合理。并且采用MATLAB软件非线性回归分析进行模型参数拟合,最后得到实验曲线与理论曲线的最大误差在2e-5左右。证明采用的H/M模型能较好地描述紫色泥岩的蠕变特性。     

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。     

超固结饱和黏性土的弹塑性本构模型及三轴试验模拟

针对饱和超固结黏性土现有的下加载面修正剑桥模型破坏应力比为定值,不能反映土体在不同应力状态下强度特性存在差异这一问题,为了更好地反映应力状态变化对破坏应力比的影响,基于三剪统一强度准则确定超固结土的破坏应力比。在此基础上得到了超固结土的弹塑性本构模型,该模型的特点是能够描述土体受力时的中间主应力效应、应力区间效应、拉压差影响。基于该本构模型作了常规三轴压缩条件下超固结饱和黏性土的模拟结果与试验结果对比,结果表明:该模型能够反映不同超固结比下土的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性和规律。利用该本构模型模拟了排水和不排水条件下的真三轴压缩试验,得到了相应的应力-应变特性曲线。     

苹果树枝力学特性试验研究

为避免采摘机器进行水果采摘时机械臂对树枝的损伤,并为采摘机械臂设计和驱动电机功率选择提供依据,以苹果成熟时枝条为研究对象,在微型电子万能力学试验机上对其拉压、弯曲变形的弹性模量等力学性能进行试验确定。通过试验得出:树枝枝条轴向拉伸状态下弹性模量平均值为54.2228MPa;轴向压缩状态下弹性模量平均值为32.5580MPa;弯曲变形弹性模量平均值为90.4343MPa。此结果表明苹果树枝在承受轴向拉压和弯曲等不同载荷作用下具有不同的力学特性,进一步对其产生的原因进行分析。依据材料力学理论建立了树枝弯曲变形弹性模量与轴向拉压弹性模量的关系,给出中性面偏移量计算表达式。由于中性层偏移,树枝受压侧承受的最大应力大于受拉侧,且树枝本身轴向压缩弹性模量比拉伸弹性模量小,因此在承受弯曲变形时,受压侧早于受拉侧达到强度极限而发生破坏。     

基于内时理论的冻土试验研究与数值分析

从内时理论出发,基于考虑了温度和应变率影响的冻土内时流变本构方程,采用Matlab拟合法确定内时材料参数,对冻土在单轴和3轴应力条件下的应变进行了求解、分析与试验验证,并将理论结果与试验所得的应力-应变曲线进行了比较,理论曲线与试验曲线基本吻合. 与传统塑性理论的研究方法相比,内时理论的研究方法可以免去确定屈服面的困难. 基于所使用的内时本构模型,对冻土路基的冻结进行了数值分析,结果表明该理论具有很好的适用性.