冻土单轴压缩动态试验研究

讨论了冻土试样的制作过程。采用计算机层析扫描技术（CT）对未饱水和饱水冻土试样单轴压缩过程进行了动态测试，给出了冻土单轴压缩各承载阶段内部结构变化特征，基于CT测试对加载过程进行了分析，讨论了饱水冻土和未饱水冻土试样的破坏形式，并对空隙损伤阶段损伤进行了计算。     

冻土初始与附加细观损伤的CT识别模型

采用冻土附加损伤的概念, 给出了冻土在受载荷作用下产生的微裂纹与CT数之间的关系, 冻土密度与CT数以及冻土内部损伤量与CT数间关系模型, 并进行了讨论. 采用干土压实饱和的方法制作了无损冻土试样, 建立了冻土初始损伤的计算模式, 用该模式计算了不同冻土试样的初始损伤, 并以饱水分层压实试样为例计算了加载过程中的微裂纹损伤.     

与医用CT配合使用的冻土三轴仪的研制与应用

针对适用于低温环境下的配合医用CT实时扫描的冻土三轴仪的不足,研制了新的冻土三轴仪,介绍了其组成及其研发过程中需要克服的技术难点。利用该装置可以完成低温环境下试样的三轴加卸载试验,配合医用CT机时可实现整个力学过程的实时动态扫描。进行了冻结兰州黄土三轴加载实时CT扫描试验,试验结果表明,新研制仪器的各项参数均能满足冻土试样在三轴压缩和卸载过程中的实时CT扫描条件,也能够得到的不同载荷条件下的高质量细观结构CT图像,文中对试验结果进行了分析和讨论。该装置的成功研制为建立细观结构和宏观力学性质之间的联系提供一种新的技术手段。     

考虑裂隙变形参数的岩体单轴压缩损伤模型

为了更准确地预测裂隙对岩体压缩力学特性(如强度和刚度)的影响,需要建立更为合理的裂隙岩体压缩损伤模型。为此,基于相关试验数据和裂隙岩体单轴压缩力学行为,采用损伤及断裂理论对目前断续裂隙岩体压缩损伤模型中存在的不足进行了深入分析,并对其进行了3方面的改进,即：不再将裂隙变形参数视为定值、考虑了裂隙面上法向正应力产生的负第一应力强度因子(K_I)、考虑了裂隙面上有效剪应力产生的K_I,由此最终提出了考虑裂隙变形参数的岩体单轴压缩损伤本构模型。最后采用试验数据对该模型的合理性进行了验证,发现与现有模型相比,该模型明显提高了岩体单轴压缩弹性模量和损伤值的预测精度,尤其是当裂隙倾角为0°时,该模型计算得到的弹性模量为4.306 MPa,与实测弹性模量4.310 MPa几乎相同。因此,该模型能够很好地刻画岩体单轴压缩力学行为,这也说明考虑裂隙变形参数对岩体单轴压缩力学特性的影响是十分必要的。该研究可为准确预测裂隙岩体的单轴压缩力学行为提供参考。     

冻土与结构接触面循环剪切损伤模型

抗剪强度和压缩体应变是冻土与结构接触面的力学特性指标中最重要的两个参数,对冻土与结构接触面的力学分析至关重要。采用自行研制的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统,开展了冻土与结构接触面力学性能及变形规律的试验研究,采用损伤力学理论,基于等应变分布假设、零弹性域假设、弹性应变无耦合假设,选择不可逆性体应变与最大不可逆性体应变的比值作为损伤因子,建立了用于描述冻土与结构接触面剪切行为的抗剪强度与压缩体应变损伤模型。通过相关试验对建立的损伤模型进行验证,结果表明,所建模型是准确、合理的。     

冻土三轴剪切过程中细观损伤演化CT动态试验

对冻结粉质粘土在三轴剪切过程中的结构损伤进行了CT技术动态测试。通过对CT图像及CT数的分析发现：在受载之前冻土结构已经存在孔隙、管状孔隙和低密度区等初始缺陷;变形过程中冻土结构的弹性损伤只占总损伤的比例很小,而结构粘塑性损伤的比例则很大;在三轴剪切过程中和蠕变过程一样存在结构损伤的弱化和强化现象,孔洞几何特征的改变和孔洞的长大、联合,颗粒之间的相互错动及滑移是冻土结构粘塑性损伤发展的重要特征。冻土的结构损伤主要发生在冻土屈服之后,这部分损伤不能用CT数的变化来定量计算。     

原位冻结黏土单轴压缩试验研究

采用沈阳原位冻结黏土制备了冻土单轴压缩试样,进行了冻结黏土的单轴压缩试验,获得了冻结黏土单轴压缩载荷-位移关系曲线,并对原位冻结黏土的破坏特征进行了研究。试验表明,原位冻结黏土在给定温度（-15℃）和加载速率范围（2.5×10-2~1.0×10-5 mm/s）下,开始均具有一定的线弹性压缩过程,随后产生微裂纹,而冻土也进入塑性硬化阶段,随着裂纹的扩展与贯通,最终达到剪切破坏。原位冻土的破坏形型表明,由于其固有的结构性,使之与重塑土的单轴压缩破坏特征具有明显的不同。     

考虑低温粒间吸力的饱和冻土UH模型北大核心CSCD

冻土本构模型对于分析寒区岩土工程的安全和稳定性至关重要。低温吸力理论可以在物理层面解释温度对冻土力学特性产生影响的机理,且基于该理论所建立的冻土本构模型能实现融土和冻土本构关系的统一,所以近年来低温吸力理论受到越来越多的关注。本文首先通过分析饱和冻土中冰-水界面的表面张力作用,在低温吸力理论的基础上提出了低温粒间吸力的概念,并基于Clapeyron方程建立了低温粒间吸力与温度的关系式以及饱和冻土的有效应力公式。其次,针对多种类型的饱和冻土开展了温控侧限压缩试验和三轴剪切试验,发现低温粒间吸力对冻土力学特性的影响可以归结为其对冻土表观超固结性的影响,即冻土的表观超固结程度随低温粒间吸力的增大而增强。根据试验规律,建立了冻土表观前期固结压力和抗剪强度计算公式。最后,将以上所建立的冻土有效应力公式、前期固结压力公式和强度公式与超固结融土的统一硬化本构理论(即UH模型理论)结合,提出了一个新的冻土热力耦合弹塑性本构模型。使用该模型模拟冻土侧限压缩试验、单轴压缩试验和三轴剪切试验,发现其能合理描述冻土在不同温度和围压下的应力-应变关系,且计算结果与试验数据符合良好。     

抛物线型屈服面人工冻土蠕变本构模型研究

利用自行研制的W3Z-200型冻土三轴压缩蠕变仪,对淮南地区深表土冻土进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,提出以标准黏弹塑性模型为基础,并耦合温度自由度,应用抛物线型屈服准则对模型中的黏塑性项进行改进,建立了新的本构模型来描述高围压复杂应力状态下冻土的蠕变变形特征。基于ADINA有限元软件平台,开发了冻土本构子程序。对淮南某冻结井筒开挖过程进行了数值模拟,计算结果验证了冻土抛物线型黏弹塑本构模型的正确性和合理性。     

不同温度条件下冻结兰州黄土单轴试验的CT实时动态监测

改进了与CT扫描系统配套使用的三轴仪。改进后三轴仪由控温精度达到±0.1℃的压力罐和加载装置组成,能够实现对冻土力学试验过程真正的CT实时动态监测。对不同温度条件下的冻结兰州黄土单轴压缩过程进行了CT动态扫描, 得到如下结论,应变0～0.7%的阶段,试样发生弹性变形,CT数轻微增大;应变0.7%～6.5%的阶段,开始发生塑性变形,但还没有发生损伤,CT数变化不大;当应变大于6.5%时,试样的CT数明显变小,损伤开始发生,直至应变达到10%时,试样发生破坏,随后CT数也急剧减小。因此,冻结兰州黄土的屈服应变为0.7%,损伤应变临界值为6.5%,破坏应变临界值为10%。另外,温度对试样的CT数也有影响,在-0.6～-1.7 ℃的温度范围内,试样CT数变化具有很明显的规律,即温度越低,CT数越小,在-1.7 ℃和-5 ℃试验条件下CT数变化不大。     

单轴受压状态下钢纤维混凝土损伤本构模型研究

针对钢纤维混凝土在单调载荷条件下损伤行为的复杂性,根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理,得出了钢纤维混凝土损伤本构模型,基于试验数据,确定了模型参数。分析计算结果显示,该模型可以有效地描述单轴受压状态下钢纤维混凝土的损伤过程。     

基于虚内键模型的岩石单轴压缩全过程曲线模拟

利用虚内键模型理论（virtual internal bond model,简称VIB）,由岩石单轴压缩损伤本构方程和虚内键联接法则方程的相似性,提出了岩石单轴压缩破坏的虚内键密度演化函数 ,通过含虚内键密度演化方程的弹性张量 ,实现了岩石单轴压缩应力-应变全过程曲线的数值模拟。数值模拟结果表明,通过参数的合理选取,虚内键模型理论可以模拟不同岩样的全过程曲线。     

基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述

基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。     

Quantitative analysis of meso-damage evolution for shale under in situ uniaxial compression conditions

In order to investigate the meso-damage evolution of shale, four uniaxial compressive tests were conducted using X-ray micro-computed tomography (micro-CT) equipment. Two of the four samples were conducted the in situ compression tests, from which a series of CT images at different stress levels were got during the loading process. Based on those CT images, a new damage variable was first proposed to quantitatively analyze the damage evolution of shale under uniaxial compression condition. Analysis results show that the evolution of the damage variable is consistent with both the mesoscopic CT images and the macroscopic stress–strain, which can well characterize the meso-damage evolution of shale. Additionally, the parameters of crack area and crack length were obtained to quantitatively describe the cracking characteristics. The statistical results demonstrate that the distributions of crack are closely related to the scanning stress levels and the scanning elevations. These quantitative conclusions are important to understand the meso-damage evolution and the cracking mechanism of shale.     

压缩载荷下准脆性材料宏细观损伤变量研究

在连续损伤力学的基本框架内构建损伤力学模型,而对损伤变量的定义及其演化方程的描述则充分借鉴细观损伤力学的研究成果,就可以建立一个宏细观相结合的损伤模型。对于压缩载荷下准脆性材料损伤,通过假设宏观损伤分析和细观损伤分析所得到的有效弹性张量等价,可以求得宏观损伤变量与细观损伤机制相关的表达及其损伤演化方程,进而可以建立宏细观相结合的损伤模型,并以单轴压缩为例表明这种分析方法是可行的。     

岩石单轴受力CT识别损伤本构关系的探讨

对岩石在单轴受力状态下的损伤扩展进行CT扫描，分别利用CT扫描和Lemaitre等效应变假设计算其损伤变量。损伤本构关系分析表明，Lemaitre等效应变假设采用不同形式损伤变量时，既有形式上的差异，又有其内在的联系。     

基于CT数的煤岩单轴压缩破坏的分叉与混沌分析

利用CT机对煤岩在单向压缩应力状态下的破裂演化过程进行了实时扫描,采用现代非线性科学的分叉和混沌理论对煤岩在单向压缩状态下破坏的演化过程进行了研究,对各级应力状态下煤岩的各扫描断面的CT数进行了统计分析,并在此基础上建立了CT数变化的数学模型,其结果表明：当表征煤岩微裂纹存活比和闭合效应的特征量取一定值时,其CT数的变化可用Logistic方程来描述,具有分叉与混沌特征     

含裂隙水脆性材料单轴压缩CT分析

采用CT机配套的自制专用注水加载装置,对含裂隙水压的单裂纹试件进行了单轴压缩破坏的CT（Computerized Tomography）实时试验,对试件被压密→新损伤区产生→裂纹扩展的全过程进行了模拟,得到了各阶段清晰的CT图象及CT数。通过分析,提出了类节理岩体脆性材料的损伤演化率和损伤门槛值概念,并对水压的影响进行了探讨,从细观和三维上初步掌握了类节理岩体脆性材料的损伤演化特性。     

煤岩体孔隙结构应力特征的数值模拟研究

为了探究不同加载方式下煤岩体孔隙周围的应力分布规律,通过CT三维重建技术构建含有不同孔隙形状的煤岩体骨架模型,并利用ABAQUS软件进行单轴、三轴压缩实验模拟。结果表明,球状孔隙结构在单轴压缩条件下,上下区域表现为拉应力集中,左右区域表现为压应力集中。不同倾角的椭球状孔隙结构其长短轴区域的应力集中类型不同。单轴压缩过程中,轴向加载速度影响球状孔隙周围的Mises应力峰值和σ₁应力的变化;三轴压缩过程中,孔隙结构依然经历了压密、弹性、塑性和破坏4个阶段,较低的围压条件使得弹性阶段“应力-应变”曲线与“应力-时间”曲线高度重合。从微观角度为煤岩体力学研究提供了一种新的方法和思路。