充填料浆流动沉降规律与充填体力学特性研究

采场中充填体的几何结构和力学特性是影响充填体质量的控制性因素。通过开展充填料浆流动沉降相似模拟试验及充填体单轴和常规三轴压缩试验,揭示采场充填体的结构特征与强度分布规律,研究不同围压下不均匀充填体的变形特征与破坏模式。结果表明,(1)采场内充填体存在两个分界面和粗骨料、细骨料及灰砂3个不同区域,沿充填料浆流动方向,充填体的强度呈减小–增加–减小的"S"型分布;(2)充填体三轴压缩轴向应力–应变曲线包括压密、弹性、屈服、应变软化、残余强度5个阶段,相同区域充填体的强度随围压增加而上升,相同围压下不同区域的充填体强度大小依次为灰砂区域细骨料区域粗骨料区域。不同区域充填体的黏聚力大小依次为灰砂区域细骨料区域粗骨料区域,内摩擦角大小依次为粗骨料区域细骨料区域灰砂区域;(3)随围压的增大,充填体宏观破坏裂纹呈增多的趋势,宏观破坏主要为单斜面剪切破坏、张剪复合破坏和"Y"型破坏3种破坏形态。研究成果能为采场的充填钻孔数量与位置设计及稳定性分析提供理论依据。     

动态荷载下胶结充填体力学响应及能量损伤演化过程研究

为研究尾砂胶结充填体的动态力学性能及能量损伤演化过程,采用分离式霍普金森杆对尾砂胶结充填体进行了不同应变率下的冲击加载试验。试验结果表明：充填体的动态抗压强度和动态抗压强度增强因子随应变率的增加呈指数函数递增规律,且水泥含量越低的充填体应变率效应更显著;充填体的峰前能耗量密度、峰后能耗量密度、单位体积应变能及总能耗量密度随应变率的增加均呈指数函数递增规律,且动态抗压强度与峰后耗散能密度具有明显的正相关关系;冲击载荷作用下,充填体变形破坏主要经历了线弹性变形、屈服破坏及峰后破裂这3个阶段;在充填体的线弹性变形及屈服破坏阶段,能量以弹性应变能的形式储存在试样内部,而在峰后破裂阶段,能量以耗散能释放为主;冲击加载下,充填体的受荷能量损伤演化过程划分为损伤稳定发展阶段、损伤加速阶段及损伤破坏阶段3个阶段。     

不同渗透力的类充填体力学特性及损伤软化本构模型研究

通过离心试验产生的渗透压力对试样进行模拟,开展单轴压缩力学试验来研究渗透力对充填体力学特性的影响,且对充填体试样的变形特性随渗透压力变化的规律进行讨论。研究结果表明,随着渗透力增大,试样应力-应变曲线压密阶段的区间先减小后增大,弹性阶段的区间缩小,屈服阶段不明显。试验过程从低渗透压力到高渗透压力,试样的破坏模式依次表现为拉伸破坏、剪切破坏,且产生的裂纹数目增多,形态趋于复杂。在力学试验的基础上,考虑到试样压密阶段的应力-应变关系,建立不同渗透力的充填体试样损伤软化本构模型。验证结果显示,理论曲线和试验曲线高度吻合,该本构模型适用于分析不同渗透力的充填体单轴压缩力学问题。该研究为超重力离心模拟和地下渗流试验开展提供参考。     

尾砂胶结含盐冻结充填体力学特性研究

矿山充填开采正逐步向寒区甚至永久冻土区发展,这些区域含盐地下水分布非常广泛。同时,极端寒冷条件下往往需要向充填材料中加入一些防冻盐以防止料浆在输送过程中发生冻结。通过室内测试分析了-6℃环境下不同盐分(Na Cl)膏体充填体力学特性(强度和初始弹性模型)随时间演化特征。利用单轴压力机测得了龄期为7、28、90 d膏体充填体的强度和初始弹性模量,结果表明NaCl的加入会降低冻结充填体的强度,其影响程度取决于胶结料类型。试样的强度随着养护时间的增加而增大。此外,不论盐分浓度、养护时间和胶结料类型,试样的强度与初始弹性模量之间存在显著的线性关系。该研究结果可以为寒区含盐膏体充填技术的开展提供一些依据。     

连续级配废石胶结充填体强度及变形特性试验研究

采用MTS815岩石力学试验系统与自制的胶结充填体制作装置,对骨架颗粒满足Talbol级配理论的废石胶结充填体进行单轴抗压试验研究,分析了Talbol幂指数、初始孔隙度、胶结材料种类及含量对充填体强度及变形特性的影响规律。结果表明:充填体单轴抗压强度、弹性模量、变形模量均随Talbol指数n呈先增大、后减小的趋势;采用2次多项式拟合充填体单轴抗压强度与骨架颗粒Talbol指数的关系,得到了使充填体强度及变形特性达到最优的Talbol指数n=0.45。充填体单轴抗压强度基本上随其初始孔隙度的增大而减小,但当孔隙分布均匀性较差时,其试验结果具有一定差异。满足Talbol分布的充填体强度随其胶结材料胶结性能的提高而逐渐增大,其中水泥胶结充填体单轴抗压强度可以达到黏土胶结充填体的6倍以上。另外,胶结材料含量的提高同样可以增大充填体的强度,并能够相应地缩短其应力-应变曲线中的孔隙压密阶段。     

胶结充填体三轴压缩变形破坏及能量耗散特征分析

充填体的变形破坏、能量耗散与围压的变化密切相关,通过开展不同灰砂配比、浓度的充填体单轴、三轴压缩试验,基于系列试验结果,研究了不同围压加载阶段充填体的变形特征、破坏模式及能量耗散与围压的内在关系。结果表明,随着围压的增加,充填体的峰值应变随之增大,且两者呈线性相关;低围压时充填体呈现脆性破坏,表现为应变软化特征,随着围压增大,充填体由脆性向应变硬化转化,灰砂比越大、浓度越高,充填体发生脆-延性的临界围压值越大。充填体的破坏裂纹发展形式各异,大致可分为单一、平行、交叉和复合4种类型;宏观破坏表现主要呈“X”状、“Y”状剪切模式,破坏面的类型主要分为：直线式光滑摩擦面、圆弧式破碎摩擦面、直线式破碎摩擦面以及台阶式破碎摩擦面。充填体的峰值强度与围压也呈正线性相关,内摩擦角对灰砂比的敏感性要高于浓度。围压的增大能够相当程度上提高充填体各阶段的应变能,峰前、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压皆呈正相关性。     

软土地基桶形基础循环累积变形研究

针对软土地基桶形基础在循环荷载作用下的变形问题进行研究。首先, 通过桶形基础循环模型试验获得在动、静荷载作用下地基的破坏特性。然后,从模型土池中取土样,进行不固结不排水（UU）循环三轴试验,测其循环累积应变特性,建立了累积应变与其相关因素间的关系。最后,采用有限元的方法模拟模型试验,将循环累积变形等效为蠕变,在理想弹塑性的基础上加入蠕变来计算循环荷载作用下桶形基础的变形,并与模型试验结果进行比较。结果表明,软土地基桶形基础在循环荷载作用下的变形与静力下的蠕变有相似的特点,桶形基础循环累积变形可以用等效为蠕变的方法计算。     

考虑间歇充填和浓度效应的充填体长期强度试验研究

为探究不同充填间隔时间(FTS)和料浆浓度对胶结充填体长期强度影响机制,配制70%、72%、75%三个浓度、充填间隔时间为12、24、36、48 h的两分层胶结充填体试件,开展单轴抗压强度(UCS)试验并探究其力学特性及其破坏形式。试验结果表明,（1）胶结充填体峰值抗压强度随充填间隔时间增大而呈递减趋势,充填间隔时间一定时胶结充填体抗压强度随料浆浓度增大而增大,且峰值抗压强度与充填间隔时间呈多项式函数规律;（2）胶结充填体试件加载过程中表现为压密阶段、线弹性阶段、裂纹扩展阶段和破坏发展4个阶段,随充填间隔时间延长,胶结充填体的破坏形式可能表现为张拉破坏–拉剪破坏过渡–拉剪混合破坏的损伤模式。研究结论能够为后期充填体强度设计和稳定性控制提供有益参考。     

上海砂土蠕变变形特征的试验研究

采用室内单向压缩试验研究了上海砂土的蠕变变形规律和蠕变机制以及蠕变变形与应力历史的关系。试验结果表明,上海砂土具有明显的非线性蠕变特征,应变与应力、时间的关系可以用幂函数拟合;应力历史对砂土的蠕变性有显著影响,当荷载小于预压荷载时砂土的蠕变性显著减小。上海砂土的蠕变原因主要是砂土颗粒间的相互错动滑移所致。     

尾砂胶结充填体蠕变模型及在FLAC3D 二次开发中的实验研究

关于岩石蠕变特性的研究已有诸多成果,但对胶结充填体的蠕变特性还缺乏系统地研究。在室内充填体单轴蠕变试验的基础上,利用Hoek-Kelvin模型表征充填体的蠕变特性,运用粒子群优化算法,对选用的蠕变模型的参数进行辨识,并研究各蠕变参数对应力水平的敏感程度。研究结果表明,在不同分级应力水平加载下,弹性模量EH和黏滞系数η变化较小,而参数EK对应力水平变化较敏感。利用FLAC3D软件二次开发所建立的蠕变模型,用开发的模型进行分级加载蠕变的数值模拟,计算结果与试验数据吻合。     

关于构造带变形能的有限元法数学模拟

本文是在同一外力和边界及岩石力学性质条件下,用有限元数学模拟的方法研究不同构造变形带内部变形能的差别和分布问题。形状改变能（或称歪变能）ＵＷ比体积改变能（或称体变能）ＵＴ大将近一个数量级,ＵＷ、ＵＴ和构造变形能ＵＢ在挤压、剪切和引张变形岩带中总体依次逐步变小。ＵＷ和ＵＢ大致呈较大→大→小的变化,而ＵＴ却呈大→较大→小的趋势性变化。利用构造变形能这种规律,结合构造附加静水压力研究,进而探讨构造变形热及其影响流体运移等问题。     

海积软土弹粘塑性Biot固结的数值分析

为了全面分析海积软土的蠕变特性,采用弹粘塑性理论,并选取了Mohr-Coulomb屈服面模型和Adachi模型。针对海积软土多级加荷固结蠕变试验和堆载预压现场的变形分别进行了数值计算。通过分析对比,验证了Adachi模型的有效性和实际场地的土体变形的预测性。     

砂土地基的黏性特性及其有限元模拟

采用非线性弹塑黏性有限元法模拟了砂土地基变速率加载室内试验,再现了砂土地基荷载-沉降曲线对加载速率突变、砂土蠕变以及应力松弛等加载情况下的响应和瞬时黏性中砂土黏性随加载进行的衰减现象。在有限元分析中,以非线性三要素模型为理论框架构建了可以综合考虑砂土黏性特性的弹塑黏性本构模型,用动态松弛法进行有限元求解,最后通过有限元与室内试验的对比分析研究了砂土地基所具有的黏性特性,同时验证了非线性三要素弹塑黏性模型用于模拟砂土黏性特征的合理性和正确性。     

吸力式沉箱底部土体循环特性及其等效循环蠕变模型研究

吸力式沉箱基础作为张力腿平台(TLP)的锚固基础,其底部土体不仅存在轴向卸荷作用,而且还存在循环荷载作用。现有研究很少涉及在卸荷条件下进行的软黏土循环累积变形研究。因此,通过循环三轴试验研究了轴向卸荷条件下软黏土的应变累积变形及应变软化特性。试验结果表明:在低静偏应力以及动偏应力条件下,土体应变累积及软化程度较低;随着动偏应力增加,循环累积变形逐渐变大且前期发展较快后期趋于稳定,同时应变软化程度逐渐增大;土体循环累积变形随动偏应力提高而增大,其循环累积应变曲线呈衰减-稳定的蠕变特性。在试验基础上,提出与静偏应力和动偏应力有关的软化系数公式。构建了考虑软化系数与静偏应力、动偏应力等条件下软黏土等效循环蠕变模型。将该模型推广至三维,并开发了有限元子程序。建立了循环荷载作用下吸力式沉箱基础循环抗拔承载力有限元分析法,将其用于吸力式沉箱基础循环累积变形分析中,并与沉箱模型循环试验结果进行了对比验证。     

模拟喷射混凝土或衬砌支护的大变形衬砌单元模型

本文利用大变形有限元的基本理论,提出了有限元大变形衬砌单元模型,并推导了其相关的大变形有限元计算公式,成功地解决了岩土工程喷射混凝土或衬砌支护的大变形有限元模拟计算问题,具有广泛的理论意义及实用价值。     

高填方地基的蠕变沉降计算方法

高填方地基的填方体量大、填方高度高的特征决定了高填方地基具有较大的工后沉降,可能会影响工程的实际应用,研究高填方地基工后沉降的计算方法对于控制工后沉降具有重要意义。蠕变沉降是高填方地基工后沉降的重要组成部分,试验表明,土的蠕变变形主要受时间和应力历史等因素影响。基于考虑时间效应的统一硬化模型,以瞬时正常压缩线为参考线,引入弹性瞬时压缩线,建立了可以同时考虑时间和应力历史影响的高填方地基一维蠕变沉降计算方法,并对室内试验进行了计算,计算结果与试验结果基本一致。所建计算方法所用参数除一个参数外其余都为常见参数,而新参数可以通过常规试验确定,该计算方法便于工程应用。     

垃圾土蠕变-降解特性的室内试验研究

通过室内蠕变-降解对比试验,研究了城市固体废弃物（MSW）的长期变形过程,详细地分析了MSW应变、沉降速率以及孔隙比随时间的变化规律。试验结果显示,考虑有机物降解情况下沉降速率与时间在双对数坐标下呈线性关系;不同的生物降解条件下MSW的变形特性表现出不同的规律。研究表明,MSW的蠕变变形是应力与有机物生物降解耦合作用的结果,采用室内蠕变-降解试验可以很好地模拟垃圾土的沉降变形过程,为室内进一步研究垃圾土的蠕变降解特性提供了很好的依据。     

巷道软岩蠕变损伤模型

介绍了西原及修正西原模型的蠕变特性、物理机制和优点。根据软岩加速蠕变的力学特性,指出西原模型不能较好的描述蠕变加速阶段,并引入损伤变量,认为蠕变引起的应变是由无损材料及已损材料蠕变应变之和,推导出材料非稳定蠕变阶段的蠕变方程。同时,利用有限元方法,建立了带有损伤变量蠕变单元方程,可以此编制有限元程序,进行蠕变分析。     

顶管工程后背受力与变形三维分析

以某顶管工程为背景,采用朗肯被动土压力理论对后背土体的承载能力进行了分析;根据弹塑性模型建立起后背结构的三维有限元模型,对后背结构与土体在顶力作用下的变形与受力过程进行分析,并同朗肯理论结果进行比较;对影响后背结构的变形各因素进行了分析;对后背结构顶力合力点的变形进行了实测,并同理论预测结果进行了对比分析,初步探讨了形成差异的主要原因。