冻土动力学研究综述

冻土动力学是寒区岩土工程所要考虑的重要内容,是研究冻土抗震和抗长期循环荷载的理论基础。本文主要介绍了冻土动力学参数的测试方法,回顾了冻土动力学参数、冻土动强度、冻土动蠕变破坏特征和冻土动蠕变强度的研究进展,并对部分冻土动态本构模型和动蠕变模型进行了简单的介绍,最后对冻土动力学的发展趋势进行了展望。     

季冻土力学特性及试验技术研究

我国季冻土分布广泛,跨越了我国一半以上的省份,随着经济的发展及国家"一带一路"战略的提出,季冻区的交通基础设施建设规模也越来越大。经调查统计,季冻土路基常常会出现冻胀、融沉、沉陷、翻浆、边坡滑塌等一系列的路基病害,威胁行车安全,造成严重的经济损失。因此从季冻土覆盖范围、经济发展、国家战略布局和季冻土路基灾害的角度上,研究季冻土的强度变形特性显得尤为重要。季冻土的相关研究很不成熟,截至目前,连基本的冻融循环下抗剪强度指标的变化模式都存在很大争议。造成争议的根源就在于季冻土试验技术的不成熟,这种不成熟表现在多个方面,缺乏季冻土试验标准以及受试验仪器限制等等。因此注重试验的研究才能合理揭示季冻土的强度变形特性。本文对冻融循环土试验技术、季冻土静力学本构理论、冻融循环土强度理论和季冻土残余应变理论中的几个关键问题开展研究,提出季冻土制样新标准,得到了冻融循环下土应力应变关系变化规律与抗剪强度指标变化模式,给出了抗剪强度指标计算公式,得到了更符合实际的季冻土残余应变发展模式与更符合实际的振陷参数。主要工作和成果如下:(1)发现了常规土制样标准对季冻土试验的不适用性,指出了冻结融化使试样密度离散性放大是目前季冻土试验缺乏稳定性的原因,提出了减少土试样密度离散性的思想,建立了季冻土制样的新标准,并通过三轴试验验证了该标准的可靠性。(2)按照季冻土制样新标准,提出了冻融循环下三种典型土类应力应变变化模式及静强度变化模式,得到了围压、冻融循环次数和土类对季冻土静力特性的影响规律。(3)提出了冻融循环修正系数的概念,给出了冻融循环下典型土类抗剪强度指标变化模式,提出了粘聚力和内摩擦角冻融循环修正曲线和计算公式,阐明了其工程应用方法。(4)基于新型低温动三轴仪及改进的试验条件,以更符合实际的季冻土埋藏条件、动应力水平和冻结固结过程,提出了季冻土冻结期的残余变形发展规律和振陷计算参数。     

静动应力作用下大连饱和黏土的剪切特性研究

针对人工制备的大连饱和黏土,在静应力与循环应力联合作用下进行了多组循环剪切试验,着重探讨了初始静力大小及加载速率对循环剪切变形特性的影响.试验表明静应力与循环应力作用下饱和黏土具有循环蠕变特性,总应变由初始静应变和循环蠕变两部分组成,其中循环蠕变主要受循环应力幅值、初始静应力大小及其加载速率的影响,循环蠕变的逐次增加量...     

油页岩地下开采巷道围岩的流变特性及工程应用

为研究油页岩巷道围岩的流变特性,采用岩土SJ-1B三轴蠕变仪对油页岩进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,建立了油页岩非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程,以吉林桦甸油页岩矿一井运输大巷为工程背景,分析了围岩的应力场和位移场,并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。研究结果表明,油页岩蠕变具有非线性,控制油页岩巷道围岩过量变形的根本途径是改变围岩的应力状态,以及适当提高锚杆、锚索的初始预应力。本文为有效控制油页岩开采时巷道围岩的有害变形提供了理论依据。     

冻土应力-应变曲线的分形逼近

基于冻土应力 应变曲线的细观结构具有分形性质的事实 ,提出了逼近冻土应力 应变曲线的分形方法 .利用分形几何中的线性双曲迭代函数系统 (LHIFS)理论 ,选取垂直压缩因子为参数建立了逼近冻土应力 应变曲线的LHIFS ,其次讨论了使LHIFS生成的线性分形插值函数 (LFIF) (即LHIFS的吸引子 )成为冻土应力 应变曲线的最佳逼近时垂直压缩因子应取的最佳点的计算方法 ,然后给出了利用最佳点求冻土应力 应变曲线分形维数的方法 ,最后给出了简单例子 .提出的方法为编程模拟具有分形性质的地质材料的应力 应变曲线及计算其分形维数提供了一般方法 .     

微粒对多晶冰及冰川流变行为的影响——(Ⅰ)基于位错的弛豫模型

为量化冰及冰川在流变过程中位错密度随流变应力的变化,发展了一个基于位错的非线性弛豫模型.模型的计算表明：在冰的指数蠕变阶段,滞弹性试验所形成的应力/应变滞后环的宽度与面积随流变应力的增加呈线性增加,位错密度随流变应力的增加呈平方增加;在冰的线性蠕变阶段,滞弹性试验所形成的应力/应变滞后环的宽度、面积和位错密度保持不变.     

冻土蠕变过程中结构的CT分析

ＣＴ为非破坏的持续检测和定量描述不同实验条件下试样的内部结构提供了可能，本文利用这一手段观测分析了冻土蠕变过程结构的变化情况，认为冻土蠕变过程中所进行的发育微裂隙、颗粒集合体的破坏以及其它结构缺陷的增生与扩展，制约着土结构的强化与弱化作用，控制着蠕变过程的形态特征，同时还给出了ＣＴ值与物密度和含水量之间的定量关系。     

描述软土不排水循环应力应变响应的拟动力关系

依据等效黏弹性理论与蠕变理论,建立了描述一般应力状态饱和软土不排水循环应力应变响应的拟动力本构关系。该关系包括三个基本参数：循环剪切模量,阻尼比与增量循环累积应变。利用循环剪切模量与阻尼比随土单元八面体剪应变的变化描述循环荷载作用下软土的不排水循环应变,依据Mises蠕变势函数与正交流动法则确定循环累积应变增量。通过饱和软土不固结不排水循环三轴压缩试验确定这些变化关系。按确定出的参数预测循环三轴拉伸与循环扭剪试验结果。预测出的循环拉伸试验剪切模量和阻尼比随八面体剪应变的变化与试验结果吻合。对于循环扭剪试验,当循环偏应力与静偏应力方向一致时,预测出的循环累积应变随循环次数的变化与试验结果基本一致;当循环偏应力与静偏应力作用方向不一致时,预测出的循环累积应变与试验结果相比偏小。     

描述软土不排水循环应力应变响应的拟动力关系

依据等效黏弹性理论与蠕变理论,建立了描述一般应力状态饱和软土不排水循环应力应变响应的拟动力本构关系。该关系包括三个基本参数：循环剪切模量,阻尼比与增量循环累积应变。利用循环剪切模量与阻尼比随土单元八面体剪应变的变化描述循环荷载作用下软土的不排水循环应变,依据Mises蠕变势函数与正交流动法则确定循环累积应变增量。通过饱和软土不固结不排水循环三轴压缩试验确定这些变化关系。按确定出的参数预测循环三轴拉伸与循环扭剪试验结果。预测出的循环拉伸试验剪切模量和阻尼比随八面体剪应变的变化与试验结果吻合。对于循环扭剪试验,当循环偏应力与静偏应力方向一致时,预测出的循环累积应变随循环次数的变化与试验结果基本一致;当循环偏应力与静偏应力作用方向不一致时,预测出的循环累积应变与试验结果相比偏小。     

寒区桩基础的多场耦合分析模型及其应用

引入桩土相互作用的界面单元将冻土地基与混凝土桩联系起来, 考虑应力场、温度场、水份场三场耦合条件, 建立了冻土区桩土共同作用的粘弹塑性非线性有限元分析计算模式. 结合工程实例用本文方法对单桩冻胀过程中的应力场及位移场进行了计算, 着重揭示和研究了冻结过程中桩土间切向冻胀应力场、冻结应力场及位移场的随时间变化过程, 进而研究了单桩承载力冻结过程中的发生与发展的变化过程.     

岩石蠕变扩容与损伤变量本构关系

首先介绍了在不同压力组合下关于油母页岩的蠕变实验.实验表明,在瞬时扩容后,蠕变过程中的依赖时间的扩容持续增长.在引入反映岩石扩容程度时的损伤变量后,建立了损伤演化方程和本构方程以描述蠕变扩容的变化规律.最后,数值模拟了体应变与时间关系,与实验结果基本一致.     

岩石粘滑及天然地震应力降

众所周知.岩石的摩擦滑动有两种方式,一种是粘滑,另外一种是稳滑.当发生粘滑时,应力突然下降并伴随有急剧的能量释放.从1966年 Brace 等人指出粘滑可能是导致浅源地震的原因以来,粘滑作为一种震源机制已引起地震学家的普遍关注.但是,粘滑的研究还有许多问题,如粘滑发生的条件,围压对粘滑及其应力降的影响,特别是室内粘滑实验应力降远高于天然地震应力降这一问题,到目前还没有解决(陈顒,1988).本文建立了一个岩石摩擦的自锁模型,这一模型能够反映围压与粘滑之间的关系.分析结果表明,天然地震应力降低于室内粘滑实验应力降是由围压刚度引起的.      

基于界面疲劳理论的钢筋混凝土腐蚀疲劳破坏研究

腐蚀疲劳是钢筋混凝土结构破坏的主要因素之一.基于剪切筒模型及文中选用的实验加载方式,考虑界面摩擦系数的衰减,同时考虑力学因素-应力比R和加载频率f的影响,研究了钢筋与混凝土界面腐蚀疲劳裂纹扩展情况.通过对Paris公式的修正,借助能量耗散率给出腐蚀疲劳数学模型,得到了界面腐蚀疲劳脱粘速率,脱粘长度与循环荷载作用次数的关系.同时考虑混凝土损伤(如刚度衰减)的影响,分析了影响界面腐蚀疲劳(CF)裂纹扩展速率的因素,如应力比,加载频率.     

岩石蠕变破裂过程及其响应比变化的实验研究

对花岗岩样品进行逐次加载的蠕变实验,得到了加载过程中的蠕变曲线和蠕变破裂的全过程曲线.对加载过程中的杨氏模量、蠕变量、蠕变速率等参数用加卸载响应比方法进行了分析,认为有二种不同形态的响应曲线.在中低应力的弹性阶段其响应比都近似为1,而在高应力的膨胀阶段其响应比都随应力而增加.对应力不变时的蠕变破裂全过程曲线进行了分解,在蠕变破裂过程中,瞬态、稳态和加速3个阶段的持续时间分别为全部时间的18%,75%和7%;在加速蠕变阶段蠕变速率及其响应比明显增加.这一结果是预测蠕变破裂的明显指标.     

正冻土中水热迁移问题的混合物理论模型

在连续统力学的混合物理论框架下研究了冻土的力学 热学性质 ,建立了相应的本构关系 .以此为基础 ,首先给出了层冰形成的一个判别准则 ,研究了孔隙率对冻胀量的影响 ,所得规律能很好地解释已有试验结果 .其次 ,推导出控制冻土水热迁移过程的场方程为具有可动边界的非线性Burgers型方程 ,这一发现为研究土体冻结过程中的非线性效应提供了理论基础 .     

CPT理论分析及提高触探能力的新思路

介绍了静力触探在我国的发展历史与研究现状,利用已有的触探理论分析了影响静力触探贯入能力的主要因素及静力触探在实际应用中的局限性。进一步提出了一种提高触探试验贯入能力的新思路,意在解决静力触探在我国西部坚硬黄土、冻土以及软岩地区中应用困难的问题,并建立上述岩土材料的基本力学性质指标与旋转触探过程中实测物理量之间的关系。     

正冻土中水分场和密度场耦合变化过程的动态观测

应用计算机断层扫描仪 ,在非损伤情况下 ,对试验中的正冻土样品间隔一定时间进行了断面扫描 ,扫描数据反映了各断面上密度的变化 .结合实测的试验前后水分场的变化特征 ,分析了封闭系统正冻土在温度梯度作用下水分场和密度场的动态耦合过程 .该过程同时也反映了土中热质迁移并引起冻胀发育的内在过程     

青海南部天然气水合物二维地震探测技术方法试验研究

冻土区勘探一直是地震探测的一个难点.为了探测研究区的深部结构,分析可能的天然气水合物的分布情况及其冻土区地球物理响应特征。我们在研究区进行了高精度的二维地震勘探试验.本文主要介绍针对冻土区的地震资料野外采集技术试验方法,包括资料的静校正问题、冻土层反射成像问题及精细速度分析等.通过对这些试验结果的分析,作者总结出一套针对高原冻土区,地形起伏变化较大的地震野外施工方法和静校正方法,为今后类似地区的地震勘探及其他物探方法,提供了参数设置依据和一些经验.     

低频可控震源在哈拉湖冻土区二维地震勘探试验研究

高原冻土区由于地质条件复杂,对地震波能量尤其是高频信号吸收作用强,一直是地震勘探的一个难点.为探测哈拉湖冻土区的深部结构,分析可能的天然气水合物的分布情况及地球物理响应特征,我们在研究区采用低频可控震源激发进行了高精度二维地震勘探试验.本文通过对原始单炮定性分析以及针对能量分析、频段相对能量比估算、道集间频率分析方面进行定量分析,来确定振动台数、扫描频率、扫描长度、驱动幅度以及覆盖次数等优选参数.文章总结了可控震源在高原冻土区的野外施工方法,对以后类似地区的地震勘探工作有一定的借鉴意义.     

中下地壳温度压力条件下岩石半脆性蠕变的实验研究

本文着重介绍了在中下地壳温度、压力条件下进行的几种岩石半脆性蠕变的实验研究结果。通过对这些岩石的蠕变曲线、蠕变类型、蠕变速度和时间、蠕变应变的关系、稳态蠕变速度-流动应力和蠕变破坏特征的观测、分析,阐述了地壳岩石半脆性蠕变的基本规律,并在温度、围压-流动应力座标系中给出了岩石半脆性蠕变的分区