南通地区冻结黏土蠕变特性试验研究

冻结法施工是地铁开挖的常用手段,因此典型土层的冻土蠕变特性可为工程提供安全资料。针对南通地区地铁开挖过程中典型土层人工冻结黏土在不同温度水平下进行单轴抗压和蠕变试验,获得在-5℃,-10℃,-15℃温度下冻土应力应变和蠕变的特性规律。在此基础上,引入模糊数优化传统的蠕变模型,利用大量实验数据回归改进后的模型,优化后的蠕变模型能更好的拟合试验值,更能反映实际地下工程的不确定性。     

广州地铁隧道冻结工程冻土力学特性试验研究

人工冻结工程中,天然岩土变为冻岩土,其物理力学性质会发生显著变化,而隧道冻结工程的冻土力学参数,是冻结壁设计和隧道开挖的依据.据此展开室内试验,研究结果表明,在相同的土质条件下,温度越低,冻土的单轴抗压强度越高;当蠕变应力小于冻土长期强度时,可用方程ε=AσBtC描述冻土的蠕变过程;而当蠕变应力较大时,上述蠕变方程不适用;在加载应力作用初期,冻土的强度衰减很快,在设计中必须考虑冻土的长期强度,而不能用瞬时强度代替长期强度;在有补给水源的情况下,粉质粘土的冻胀率及融沉系数最大,分别可达26.88%和17.19%.     

基于扰动状态概念的结构性软土蠕变模型

结构性和蠕变性对软土工程性质具有双重影响,有必要建立一种模型能够准确描述扰动带来结构性逐步破损的过程并同时反映软土蠕变特性对地基变形的影响。引入扰动状态概念,选取三元件广义Kelvin模型描述相对完整状态,3DEVP模型描述完全调整状态,扰动函数采用经验表达式,建立了一个基于扰动状态概念的结构性软土蠕变模型。从宏观试验结果和微观结构变化分析,说明扰动模型可以很好地描述在应力作用下软土结构性在蠕变过程中逐渐衰减的过程。模型中的参数都可通过等向压缩蠕变试验与三轴蠕变试验获取。通过黄石地区的结构性软土的三轴固结不排水蠕变试验数据对模型进行检验,结果表明该模型能较好描述结构性软土的蠕变特性。     

浅变质板岩非定常开尔文模型研究

随着岩石蠕变特性在不同含水状态下试验研究的逐步开展,为了实际工程所需,应先提出能合理描述其蠕变规律的本构模型。为了准确描述浅变质板岩的蠕变行为,首先提出了一个新的非定常粘滞体元件,该元件的黏滞系数随时间不断发生变化。然后将该元件替换常规Kelvin模型中的定常粘滞体元件,建立了一种新的非定常Kelvin模型,并推导了模型的蠕变方程。最后基于浅变质板岩试样单轴压缩蠕变试验结果,采用曲线拟合的方法反演了非定常Kelvin模型和常规Kelvin模型的蠕变参数。通过对比试验曲线与拟合曲线发现:在不同应力水平下,相对于常规Kelvin模型,非定常Kelvin模型拟合曲线与试验结果更加吻合,说明该模型能够更好的描述浅变质板岩的蠕变特性,具有更好的适应性。     

冻结原状砂土分数阶Burgers蠕变模型

为了更好的描述人工冻结砂土的蠕变特性,在Burgers模型的基础上,将分数代数理论与Burgers模型相结合建立了分数阶导数Burgers蠕变模型,对内蒙古地区原状冻土在不同温度和不同加载应力下的单轴蠕变曲线进行模拟,模型参数均由遗传算法全局优化而得。通过对比Burgers模型模拟的结果可以看出分数阶导数Burgers模型能与试验数据严密相关,且所需参数较少,物理意义明确,说明了分数阶导数Burgers蠕变模型能够很好的反映人工冻结砂土的蠕变特性,具有更高的精确性。     

考虑应力历史的冻土一维蠕变模型

受力历史是影响冻土力学行为的关键因素。引入融土中考虑应力历史的一维蠕变模型并进行了相应修正,使其能够反应温度对冻土蠕变特性的影响,通过不同温度条件下的K_0加载试验获取相关模型参数,经过回归分析得到了各参数与温度的函数关系。通过对比试验和模型计算结果表明,修正后得到的冻土一维蠕变模型在预测不同温度条件下土体的蠕变发展规律时具有较好的预测精度。同时,随着施加压力的增大,该模型能够准确描述当外压力超过其历史上所受最大压力时所产生的应变急剧增长现象。因此,该模型可以作为寒区工程稳定性分析和设计的可靠依据。     

饱和冻土水热力耦合模型解析及验证

在饱和冻土多孔多相介质理论构架的基础上,通过引入Clapeyron方程描述温度梯度对冻结区水分迁移影响,并结合寒区工程的实际特点,对数学耦合模型中的应力平衡方程、连续性方程、能量方程进行了适当的简化,从而建立了实用化的饱和冻土温度场、水分场、变形场耦合分析的数值模型。据此开发了能够反应各种外因（外载、温度）作用下土体多场耦合机制的有限元分析程序,利用研发的程序对经典试验进行了分析,初步验证了模型及分析程序的可行性与合理性,为模型的工程应用奠定了基础。     

超低温冻结黏土单轴抗压力学性质试验研究

地下交通、煤炭开采等工程常遇砂土交错和地下水极为丰富的软弱地层施工难题,可利用液氮使土体处在超低温冻结状态以达到土层稳定和加固的目的,因此,探究超低温冻土的抗压强度对于工程施工的长期稳定和安全具有重要意义。为揭示超低温冻结黏土单轴抗压力学性质变化规律,对含水率为17%,20%,23%的土样进行–10℃~–180℃的单轴压缩试验。结果表明:冻土温度高于–80℃时,呈弹塑性破坏,低于–80℃时,呈脆性破坏;冻土抗压强度随温度降低,先呈线性增加,当温度低于–80℃后强度基本稳定,并对温度与冻土抗压强度进行拟合,拟合效果较好;含水率在17%~23%,冻土抗压强度随含水率增加而增大,冻土弹性模量随温度降低呈上升趋势,且含水率越高弹性模量越大。最后,对比分析了4种应力–应变方程对超低温冻土关系的适用性,发现幂函数和双曲线公式拟合超低温冻土应力–应变关系精度较低,拟合效果并不理想;复合幂指数模型对弹塑性破坏过程拟合精度较好,并能准确地描述该过程的屈服和破坏情况,但对于脆性破坏段的应力–应变曲线并不适应,因此该模型有一定的局限性;黏弹塑性方程对冻土应力–应变关系拟合精度最好,后引入温度函数,改进黏弹塑性方程,提出与冻土温度有关的复合型方程,该方程拟合精度更高,补充了超低温冻土应力应变方程理论,可以为实际工程提供理论参考。     

人工冻结温度场巴霍尔金模型准确性研究

人工冻结温度场巴霍尔金模型已被较为广泛地应用于人工地层冻结法的监测数据分析和冻土帷幕性状的评估中。为了全面评判巴霍尔金模型描述实际温度场的准确性,以温度场数值模拟结果为基础,对单排管和双排管冻结条件下的温度场进行全面的数值分析与巴霍尔金理论的对比性研究。结果表明,对于工程实际应用来说,巴氏模型足够精确,能够较为全面真实地反映人工冻结温度场情况。     

经典解析法在地铁联络通道冻结法加固效果评价中的应用

以武汉某地铁联络通道冻结加固工程为背景,介绍了联络通道的冻结法加固设计概况,对积极冻结期间的盐水温度、冻土温度、泄压孔压力等重要数据进行了持续监测,对监测数据进行了深入分析,对数据发展规律进行了总结。通过监测数据结合理论分析,合理判定土体实际结冰温度,并在此基础上,运用几种修正的经典解析法对冻结过程中的冻结帷幕厚度、冻结壁平均温度等重要参数求解析解。实践表明,土体结冰温度的准确判断对土体冻结效果的评价具有重要意义,施工监测与理论求解的综合运用是保证联络通道施工安全的可靠手段。     

人工冻土冻结温度影响因素灵敏度分析

确定影响人工冻土冻结温度因素的灵敏度,对冻结法施工中科学掌握冻土温度场的发展有重要意义。本文较全面地考虑了影响人工冻土冻结温度的定量、定性因素,运用人工智能理论,提出一种预测人工冻土冻结温度的新方法,在此基础上,分析了各影响因素的灵敏度,对准确预测人工冻土温度场发展有重要意义。     

基于Perzyna黏塑性分数阶导数蠕变模型

了解人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。目前常用分数阶导数伯格斯蠕变模型来模拟人工冻土的稳定蠕变阶段。如果从内能角度分析发生蠕变的机制,基于应变能理论,采用Perzyna黏塑性理论与分数阶导数伯格斯模型相结合,可以建立一种能描述衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段全过程的蠕变统一本构模型。通过建立模型比较发现,数值模拟结果与试验数据基本吻合,研究成果为人工冻土蠕变过程研究提供了一种新的思路。     

软岩非线性蠕变模型研究

以工程实际中广泛应用的元件组合模型为基础,通过引入损伤变量和硬化变量,建立了一个软岩非线性蠕变模型。分析认为,Maxwell体等价于一个线性损伤的虎克弹性体,Kelvin体相当于一个线性硬化的牛顿黏性体,Burgers体则是一个能同时描述线性损伤、硬化的模型。软岩蠕变过程中,其微观结构会发生变化,并导致软岩形变行为产生相应的改变,引入非线性损伤、硬化变量代替Burgers模型中的线性损伤、硬化变量,可以反映这种改变对软岩蠕变的影响。所建立的非线性蠕变模型可以用一个统一的方程描述软岩蠕变过程三个阶段的变形特征。将该模型与试验曲线进行对比,两者吻合较好。     

滨海软土地层人工冻土蠕变试验研究

天然岩土通过人工冻结,其各项力学性能都会发生变化,为了更好地研究滨海软土地层人工冻土的蠕变性能,本文对福州地铁2号线各车站典型地层做了系统针对性试验研究。针对原状土样,在尽量减小扰动情况下,进行室内冻结试验,根据试验可得:相同温度下含水量较小的冻结土单轴抗压强度更大;当仅考虑非稳定蠕变阶段和稳定蠕变阶段时,蠕变可以用方程ε=Aσ~Bt~C描述。     

冻土三轴流变特性试验研究与冻结壁厚度的确定

利用冻粘土试件进行了三轴蠕变试验，从而获得了复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果，建立了非线性蠕变方程来描述不同温度下冻粘土的蠕变特性。通过回归分析，得到了冻粘土蠕变参数的数值。根据冻土的流变理论，探讨了塑粘区的扩展规律，最后推导出了冻结壁厚度计算公式。同时，又进一步探讨了防止冻结管断裂的有效途径。     

岩石黏弹塑性损伤蠕变模型研究

岩石蠕变力学采用在经典元件模型基础上引入非线性元件和蠕变损伤的方法,来解决经典元件模型不能描述岩石整个蠕变过程中的非线性特征问题。首先分析这类方法在模型参数辨识、损伤蠕变方程建立和屈服条件选择等方面的不严谨之处,然后根据非线性流变理论以及损伤理论采用和构建弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏塑性体,并将四者串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、黏性应变和非线性黏塑性应变的损伤蠕变模型。推导岩石在恒应力情况下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到损伤蠕变方程,结合蠕变曲线特征给出简单可行的模型参数辨识方法。最后采用砂岩分级加载单、三轴压缩蠕变试验曲线与理论曲线和预测曲线进行对比来验证模型的适用性。结果表明两者吻合程度较高,黏弹塑性损伤蠕变模型不仅可以精确反映衰减、等速阶段蠕变曲线的非线性特征,而且能够描述岩石在高应力状态下的加速蠕变特征,其适用性得到验证。     

准饱和正冻土水热力耦合模型的扩展有限元程序研发

针对冻土冻融过程中存在移动相变界面及材料分区不断变化的特点,基于已建立的能全面地描述冻土的水、热、力与变形实际状态的准饱和冻土耦合模型,推导土颗粒、水和冰颗粒的温度场、变形场及水分场的扩展有限元解析格式,构建水热力相互作用在程序中实现的具体方法,开发一款能够为实际冻土工程服务的耦合分析平台3GEXFEM,利用程序对Fukuda系列试验进行数值模拟,分析得到的温度场、水分场与变形场与试验结果较一致,验证了程序的合理性和先进性。此外,基于程序系统地研究不同环境条件:上覆压力、温度梯度、变温模式、温变速率对冻土冻结过程中水热力耦合的影响,为模型及程序的工程应用奠定了基础。     

上海长江隧道冻结监测优化设计及数据分析

以上海长江隧道联络通道冻结加固工程为背景,详细介绍了1# 联络通道人工地层冻结法工程的监测设计,提出了冻结监测的设计原则,对冻结监测数据进行了深入分析。通过盐水温度监测判断冻结设备运转情况,通过冻土帷幕监测得出冻土帷幕发展规律、冻土帷幕交圈时间、冻土帷幕有效厚度等。然后,将监测分析结果与解析计算对比。研究结果表明:通过优化的冻结监测设计,不仅减少了对管片的破坏,而且用较少的测点就可以实时地、准确地判断人工地层冻结法的土体加固效果。本文监测优化设计的思路和数据分析方法可以为同类工程的设计和施工提供指导。     

岩体载荷蠕变试验方法研究

 由于试件尺寸效应以及试验边界条件与工程岩体工作状态的差异,室内流变试验结果难以准确反映工程岩体流变性质,一些重大水电工程实施了现场岩体蠕变试验,其中现场载荷蠕变试验采用较多,但该试验方法存在一些不完善之处,建议采用五参量广义Kelvin模型描述岩体蠕变特征,并采用一级加载方式进行试验,且荷载水平应与工程荷载相一致。推导岩体载荷蠕变试验五参量广义Kelvin蠕变公式,并验证恒载时间t = 0,t→∞时,蠕变公式与弹性变形公式的统一性。最后,给出工程试验实例,采用非线性最小二乘曲线拟合法反演蠕变模型及其参数。反演结果表明,五参量广义Kelvin模型蠕变公式与试验曲线的相关性较好,明显优于三参量广义Kelvin模型。     

基于分数阶导数的冻土蠕变本构模型

冻土的蠕变特性与所受应力水平及蠕变应变有关,在高应力水平下会表现出加速蠕变特性。本文在分数阶的非线性黏壶基础上提出了可以描述加速蠕变特性的应力-应变双控元件。传统Nishihara模型难以描述加速蠕变,通过将Nishihara模型中的黏弹性体替换为分数阶的Abel黏壶,将黏塑性体替换为提出的应力-应变双控元件,得到了冻土的一维蠕变本构模型,并将其推广到三维应力状态。提出的模型对冻土的单轴和三轴蠕变试验数据进行了预测分析,和传统Nishihara模型相比,该模型只增加了一个参数,不仅能够反映冻土在低应力水平下冻土衰减蠕变和稳定蠕变特性,而且还可以较好地反映冻土在高应力水平下加速蠕变规律。说明了该模型对于描述冻土在不同应力条件下不同蠕变状态的适用性。