基于蚁群算法的冻结重塑黏土分数阶导数西原模型分析

掌握冻结状态下岩土体的蠕变规律,对利用冻结法施工的井筒建设安全至关重要。对人工冻结重塑黏土在-5,-10,-15 ℃下进行单轴抗压强度试验,得到温度对人工冻结重塑黏土单轴抗压强度的影响规律;根据重塑黏土冻结下的单轴强度,分别进行3个加载等级的蠕变试验,得到温度、加载等级对蠕变的影响规律。将Abel黏壶引入到西原模型,建立分数阶导数西原模型;利用蚁群算法对重塑黏土冻结状态下蠕变西原模型和分数阶西原模型进行参数辨识,通过分析2种模型的模拟结果,表明分数阶西原模型更适合于计算重塑黏土冻结状态下的蠕变规律。     

冻融循环条件下淤泥黏土力学特性试验研究

为研究冻结温度及冻融循环次数对冻结作用下黏土强度的影响,对福州富水地层黏土进行不同温度和不同冻融循环次数下的力学试验,研究其单轴瞬时抗压强度及蠕变规律。结果表明,随着冻结温度的降低,冻土单轴抗压强度逐渐增大,增加幅度逐渐减小,最大达6.56 MPa;随着冻融循环次数的增加,冻土单轴抗压强度逐渐减小,且减少幅度也逐渐减小,最小达1.30 MPa;加载应力水平较低时,冻土的蠕变速率较小,主要为衰减阶段及稳定阶段,加载应力水平较高时,冻土的蠕变速率较大,出现加速蠕变阶段;多次冻融循环后,对单轴抗压强度及蠕变曲线形状影响逐渐减小;未做冻融循环试样在较高蠕变系数时土体基本发生塑性变化,曲线呈硬化型,多次冻融循环后或在较低蠕变系数时,曲线呈软化型。     

冻结褐色泥岩非线性加速蠕变西原模型优化

为研究冻结褐色泥岩加速蠕变特性,以陕西某煤矿主井井筒褐色泥岩为研究对象,基于不同的轴压水平,采用WDT-100冻土试验机分别在-5,-10,-15 ℃的负温条件下进行了单轴等载荷蠕变试验。试验结果表明:低轴压水平下的冻结褐色泥岩蠕变呈现出瞬时弹性、减速、稳定3阶段特性,高轴压水平呈现出瞬时弹性、减速、等速、加速4阶段特性,轴压水平因素对冻结褐色泥岩轴向应变增加的影响程度远大于温度因素。基于经典西原模型,串联一个带应变启动的非线性黏滞阻尼器,得到7元件优化西原模型,通过最小二乘法对模型参数进行非线性回归分析,分析结果表明,7元件优化西原模型拟合曲线与试验结果吻合良好,更适合于描述冻结褐色泥岩非线性加速蠕变特性的变化规律,对深井煤矿冻结褐色泥岩的蠕变破坏预报具有参考价值。     

温度效应下的冻结砂土经验蠕变模型分析

为保证地下工程土体在开挖过程中的稳定性和安全性,通常利用人工冻结法建立临时冻结壁,探究在低温条件下周围土体的强度特性、蠕变变形规律等物理力学行为至关重要。在冻结砂土单轴抗压强度试验基础上,对其进行不同温度以及加载应力下的单轴压缩蠕变试验,并进行影响因素分析。引入S-M经验蠕变模型,考虑温度和加载应力的影响,对模型参数进行识别,得到改进的冻结砂土S-M经验蠕变模型。西北地区的砂土单轴压缩蠕变试验结果表明,该模型能较好地预测冻结砂土衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段的变形值,为人工冻结法更好地应用于实际工程提供一种理论支撑。     

分级加载下炭质板岩蠕变特性的试验研究

蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,与岩石工程的长期稳定和安全密切相关。为了解炭质板岩的蠕变特性,采用RLW-1000岩石流变试验机进行了单轴压缩蠕变试验。选用广义Kelvin模型、Burgers模型及FC元件组合模型进行了参数拟合分析。分析表明:板岩在低应力水平下,FC元件组合模型拟合效果较好,而在高应力水平下Burgers模型拟合结果优于其余2种模型。总体来讲,不论应力水平的高低,Burgers模型能够较好地反映炭质板岩的蠕变特性。同时,对不同应力水平下的蠕变曲线进行参数拟合,发现黏滞系数在较低应力水平下随时间而增大,而在较高加载应力下随时间显著减小,表现为应力水平和时间的函数,研究成果可为进一步了解该岩石的蠕变特性提供模型参数和设计依据。     

青藏铁路北麓河段路基冻土动力参数试验分析

冻土动力参数即是进行工程设计的依据,同时还为动力响应模拟提供必要参数。选取青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象,通过试验分析了在不同的温度、围压、频率作用下冻土动弹性模量、动剪切模量、阻尼比的变化特性。利用等效黏弹性模型将动弹性模量(或动剪切模量)、动阻尼比与动应变幅值之间的关系具体化,并将以上函数曲线与Hardin双曲线进行拟合,确定等效黏弹性模型中的试验参数。试验发现,冻土动弹性模量与动剪切模量随温度的降低而升高,随围压、频率的升高而升高;动阻尼比随着温度降低而降低,随着围压升高而升高,随频率升高而降低。     

紫红色泥岩三轴蠕变力学特性试验研究

为揭示泥岩在不同应力环境下的蠕变力学特性,对取自某在建工程的紫红色泥岩分别进行围压为0.5,1.0,2.0,5.0 MPa的分级加载蠕变试验。试验研究表明围压越大,泥岩的强度越大,塑性变形能力越强,流变特性越显著;相同围压下,稳态蠕变速率随偏应力呈幂指数函数型增长;相同偏应力下,稳态蠕变速率随围压升高而降低;利用等时应力-应变曲线法,得到泥岩的长期强度分别为11,16,22.5,29 MPa,均较各自围压下短期强度值降低40%~45%;通过摩尔强度准则得到的长期内聚力和内摩擦角分别为3.09 MPa和34.8°,分别较短期参数降低20.6%和25.9%。根据研究成果给出了一种带应变触发的分数阶蠕变本构模型,理论曲线与试验曲线拟合度良好,能较好地模拟泥岩的蠕变全过程。     

黄土坡滑坡原状滑带土的蠕变与应力松弛性质

为了更好的研究黄土滑坡滑带土的蠕变与应力松弛特性,从黄土滑坡地下硐室群内采集大尺 寸原状滑带土样,在分级加载条件下进行蠕变和应力松弛试验,得到不同应力等级下的蠕变曲线和应力 松弛曲线。基于试验结果,分析了黄土滑坡滑带土的流变特性。选取西原模型作为该滑带土的流变模 型,并对应力松弛的本构方程进行了参数拟合,得到了模型参数。分析得到了适合该滑坡滑带土的经验 方程,并且进一步研究了应力、应变与时间三者之间的关系,通过回归分析得到了黄土滑坡滑带土的应 力松弛函数。     

朱集煤矿泥岩的流变试验与本构模型研究

巷道等地下工程围岩的蠕变极大地影响着工程的稳定性,正确认识岩石的流变特性可以使岩土工程的设计、施工和运行更加安全可靠。以朱集煤矿泥岩为研究对象,采用分级加载方式,进行单轴弹黏塑性流变试验,借助Origin软件对流变试验数据进行深入分析,研究该岩样各级荷载作用下的轴向蠕变规律,并分别采用线性的Burgers模型和七元件非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)对轴向蠕变曲线进行拟合,确定流变模型的力学参数。将拟合曲线与试验曲线对比分析,结果表明:应力水平较低时,2种模型均能较好地反映蠕变过程;当应力达到长期强度后,七元件非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)能较好地反映泥岩岩样流变的3个阶段,而Burgers模型偏差较大。     

基于AE统计模型的砂岩蠕变试验研究

为分析水溶液对砂岩蠕变特性的影响,利用RLJW-2000岩石流变伺服仪对3种含水率下的砂岩进行了单轴长期力学行为研究,并利用PAC声发射(AE)监测仪对砂岩试验全过程进行声信号采集。试验结果表明:砂岩在长期荷载下,表现出应变硬化特征,有明显的蠕变稳态阶段,伴随加载的进行,蠕变速率随之增大;随着含水率的增加,相同应力等级下的蠕变速率随之增大。振铃计数率与蠕变速率具有相同的变化趋势,且累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线两者走势基本相同。在假设试验材料服从Weibull统计分布的前提下,通过AE事件数表示岩石的损伤程度,推导出了基于AE事件点的损伤演化方程,相同应力水平下,高含水率砂岩内部损伤发展较低含水率快。比较蠕变曲线和损伤变量曲线的加速临界时间点,发现基于损伤变量得到的临界时间点相对蠕变加速时间点较为提前,说明利用声发射来预测蠕变破坏时间更为准确,这对于实际工程中的灾害防治工作有着重要作用。     

南方短时冻土的热物理性质及抗压强度特征

为探讨在极端冰雪条件下南方短时冻土的热物理性质及强度特征,在湖北、湖南、广西等地选取典型土样,对初始含水量不同的土样在不同温度下进行热物理参数和单轴抗压强度试验。结果表明：冻土的干密度越大,导热系数越大;含水量越大,导热系数越大;随着温度的升高,冻土的破坏应变呈现出增大的趋势,应力-应变曲线表现为弱应变软化型或应变硬化型,即冻土的塑性增强;冻土抗压强度随温度的降低而增大;相同温度条件下,饱水后冻土的单轴抗压强度大于等于饱水前的强度。     

黄河冰单轴压缩强度的试验与影响因素探究

为进行黄河冰单轴压缩强度的试验,在黄河头道拐水文站附近取冰坯,加工成单轴压缩试验冰样,在实验室测试了其单轴压缩强度。试验温度分别为-3℃、-5℃、-7℃、-10℃、-15℃,应变速率范围10-7s~(-1)~10-2s~(-1)。试样按加载方向分为垂直冰面方向和平行冰面方向,分别测试75个和212个。试验得到250组有效数据,分析结果验证了单轴压缩强度的应变速率效应,建立了单轴压缩强度随应变速率变化的拟合公式;给出不同力学行为下的单轴压缩强度与温度和应变速率的统计关系,进而得到了宽应变速率范围下单轴压缩强度随温度变化的统计关系曲面。此外,试验还推断出河流流向与黄河冰单轴压缩强度之间不存在相关关系,垂直冰面方向加载试样的峰值强度比平行冰面方向加载试样的峰值强度高。     

基于Norton方程的岩石蠕变损伤曲线的测定

Norton方程通常用于反映金属类材料的稳态蠕变阶段,为了研究Norton方程在岩石材料蠕变损伤的适用性,通过单轴蠕变压缩试验,对同一批试件施加不同轴向应力,绘制不同应力下的时间-蠕变曲线,随着轴向应力的增加岩石出现衰减、稳态及加速蠕变三个阶段。根据Norton提出的经验公式和七点法计算出岩石的应力指数,结合损伤力学理论与Norton提出稳定蠕变和加速蠕变的指数关系,计算出不同时间点的损伤变量,从而绘制出岩石的时间损伤曲线。采用前人提出的损伤模型绘制理论曲线和实验曲线对比,结果表明该曲线符合岩石随时间流变的损伤演化规律,从而得出岩石加速蠕变阶段的损伤曲线符合Norton方程。     

不同温度-应力场下泥岩蠕变特性及本构模型

为探讨不同温度-应力场下泥岩的蠕变力学行为特征,对泥岩开展了常温(25 ℃)、60 ℃和120 ℃下的三轴分级加载蠕变试验,得到了各温度-应力场下对应的蠕变历时曲线和蠕变参数,给出了考虑温度和损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明:高温促进了泥岩内部分子运动,减弱了颗粒之间的相互胶结力,使其蠕变特征明显,而围压则能在一定程度上抑制泥岩内部损伤的发展;稳态蠕变速率随偏应力和温度的升高呈指数型函数增加,随围压升高则呈线性减小;各温度场下,泥岩的长期强度和长期抗剪强度特征参数随围压的升高呈良好的线性关系,相同围压下,温度越高,长期强度越小;在经典西原模型基础上,结合温度-应力场下泥岩的温度效应和损伤效应,建立了热-力耦合作用下的蠕变损伤本构模型,能很好地模拟各温度-应力场下泥岩的蠕变特征,拟合结果表明,弹性模量和黏性系数随温度的升高呈线性减小,而α则随温度的升高呈对数型函数增加。     

分级加载条件下深部灰岩蠕应变特性研究

为研究深部灰岩蠕应变特性,采用GDS-VIS三轴流变仪对不同深度试样做分级加载单轴蠕变试验。基于试验结果,计算出灰岩长期强度与瞬时强度之比的均值为0.758,且深度越深比值越小;分析不同深度灰岩在各分级应力水平下轴向蠕应变增量与加载级数的变化规律,并将蠕应变增量进行一次累加,得到轴向蠕应变。结果表明:蠕应变增量随级数的增加呈现先减小后剧增的变化规律,且随深度增加,蠕应变增量达到谷底所对应的应力百分比有明显增大趋势;在分级加载过程中,随级数增加,轴向蠕应变先后呈现减速增加、等速增加和加速增加3个发展阶段;当恒载应力百分比为60%~70%时,蠕应变趋于稳定,当超过该范围后,蠕应变加速增加直至发生蠕变破坏。研究得到的这一应力百分比范围可以为识别深部灰岩是否会发生蠕变破坏提供依据。     

红层滑坡滑带土经验型蠕变模型研究

四川盆地及边缘广泛分布红层边坡,对人类生命财产带来巨大威胁。滑带土的蠕变特性直接关系到红层边坡的长期稳定性,采用CSS-2901TS土体三轴流变试验机进行三轴固结不排水压缩蠕变试验,以研究红层滑坡滑带土蠕变特性。针对蠕变试验成果,结合经验模型理论,通过双曲线函数描述应力-应变关系,并引入Log-Modified函数来描述应变-时间关系,建立一种新的经验型蠕变模型。利用ε/D-ε关系曲线和Levenberg-Marquardt算法及通用全局优化法求解模型参数。采用所建模型对蠕变曲线进行辨识,R2总体在0.97以上,克服了常规经验型蠕变模型难以辨识加速蠕变阶段的困难。经过验证,所建模型能准确地描述红层滑坡滑带土的蠕变特性。