泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型研究(Ⅰ):理论模型

在室内和现场试验的基础上,根据泥岩的非线性蠕变变形特点,构造了基于摩尔-库仑准则的蠕变势,建立了泥岩非线性蠕变损伤本构模型及其损伤演化方程;对泥岩裂隙自愈合机制进行了探讨,得到围压、孔隙水和饱水时间是影响裂隙愈合的主要因素,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了泥岩渗透性自愈合模型。研究结果表明,泥岩非线性蠕变是其内部结构损伤在蠕变过程中的综合表现,泥岩的蠕变速率不仅与应力水平、时间相关,而且还与累积蠕变变形密切相关,提出的模型能较真实反映泥岩蠕变变形过程、损伤演化、渗透性演化和裂隙自愈合,且材料常数较少,便于从实验数据中获得。文中涉及到的数值算法、程序实现、模型参数的确定以及工程应用将在本文的Ⅱ部分给出     

有效应力强度指标与总应力强度指标的关系

由总应力强度指标计算的 ,并不是试样破坏时的真实破裂角,而仅是一个假想的破裂角,与之对应的平面是一个假想的剪切破坏面。试验结果表明,试样破坏时的真实破裂角,是用有效应力强度指标 计算的 。分析论证了在关于土的抗剪强度计算的相关公式中,有效应力强度指标与总应力强度指标不可混用,且公式中有效应力强度指标应与有效应力相对应、总应力强度指标应与总应力相对应。     

大型地下洞室高边墙的拉应变准则研究

高地应力等复杂环境下大跨度地下洞室群开挖容易诱发高边墙的脆性拉裂破坏,在Mohr-Coulomb准则基础之上,基于拉应变准则,提出大型地下厂房高边墙破坏的复合拉剪屈服准则。根据弹塑性理论,张拉和剪切屈服分别采用相关联和非相关联的塑性流动法则,详细推导了该准则在有限差分法中的计算格式,并对张拉和剪切屈服面的应力空间进行了分界。利用C语言程序编写的动态链接库文件,实现了该准则在通用软件的科学仿真计算。以高应力地区的拉西瓦水电站地下厂房为工程实例,与FLAC3D自带的拉剪屈服准则相比,基于拉应变准则的计算结果表明,大跨度高边墙拉破坏明显,塑性区以及应力松弛区的面积更小,能合理描述硬岩高边墙的脆性拉裂破坏特征。大型硬岩地下洞室群的计算分析验证了该准则的合理性和实用性     

土体本构模型对强度折减法分析基坑整体稳定性的影响

运用有限元强度折减法对基坑工程进行整体稳定性分析时,已有研究主要采用摩尔-库伦模型对土体进行模拟,由于摩尔-库伦模型给出的基坑变形曲线与实测不符,故据此得到的基坑整体稳定安全系数也不甚合理。采用Plaxis硬化模型模拟开挖过程,在强度折减分析中采用特征点位移突变对基坑整体稳定性进行收敛判断,通过分析对比所选取的不同特征点的位移与折减系数的关系曲线,提出采用挡墙内侧开挖面附近土体作为收敛判断的判别点较为合理,其安全系数的取值与采用极限平衡法得到的结果比较接近,而摩尔-库伦模型所得到的计算结果则偏大。最后分析了基坑宽度、基底软土层厚度、挡墙插入深度和挡墙刚度等因素对基坑整体稳定性的影响,并比较了采用这两种不同土体本构模型对分析结果的影响     

四氢呋喃水合物沉积物静动力学性质试验研究

利用研制的天然气水合物沉积物合成与力学性质测试一体化试验设备,以粉细砂土和蒙古砂土作为沉积物骨架,对四氢呋喃(THF)水合物沉积物进行了静动三轴试验,获得了水合物分解前后沉积物样品的应力-应变关系、强度和液化特性,对两种骨架的水合物沉积物的性质进行了对比,同时将水合物分解后的沉积物与对应的饱和土的动三轴试验结果进行了对比。结果表明：水合物沉积物均表现为塑性破坏;围压越大,水合物沉积物强度越高;水合物分解导致沉积物的强度大幅降低;水合物分解后沉积物液化所需的时间较饱和水沉积物缩短     

滑带土强度特性的试验研究

滑带土的强度特性对于边坡稳定具有重要的控制作用,揭示滑带土强度指标的变化规律是进行边坡安全性评估的基本前提。针对一库岸古滑坡滑动带中的含粗粒细粒土,进行了滑带土强度特性的试验研究：通过现场大剪试验和室内固结快剪试验分析了滑带土的剪切性状,确定了再生强度、现场折减强度和固结快剪强度;根据现行反复剪切试验在确定含粗粒细粒土残余强度时的不足,对试验方法和试验仪器进行了改进,提出了滑带土的残余强度指标,并与其他剪切条件下的强度指标进行了比较;基于试验结果的统计分析,探讨了土体含水率、塑性指数及粗粒含量对剪切强度指标的影响,并总结了含粗粒细粒土与一般黏性土或砂土在剪切性状方面的诸多不同     

轻量砂变形及强度特性三轴试验研究

通过三轴试验系统研究了新型土工材料--轻量砂的变形及强度特性。结果表明,不同的配比、龄期使轻量砂具有不同的原生结构强度,围压使不同原生结构强度的土样处于剪胀或剪缩状态,导致发生应变硬化、应变软化以及相应状态下孔压的3种对应形态变化。变形模量随EPS（发泡聚苯乙烯）球粒掺入比的增大而线性减小,随水泥掺入比、龄期增大而线性增大,相同配比的土样变形模量与围压关系不大;三轴抗压强度随EPS球粒掺入比增大而呈负指数关系减小,随水泥掺入比、龄期、围压增大而线性增大,存在水泥掺入比阀值;土骨架转换效应对于土样强度的影响很大,造成了土体单轴、三轴抗压强度分带,高水泥掺入比能够大大弱化EPS颗粒的土骨架效应。结合前人成果,系统地研究了轻量砂密度、无侧限抗压强度的影响因素,引入材料学中比强的概念,提出了单价比强图结合配方公式的方法,对轻量土砂进行配方优化。分析了轻量土砂应力-应变关系转型问题,提出采用无侧限抗压强度来表征不同配比、龄期轻量土砂的原生结构强度。通过试验与数理统计,建立临界围压与原生结构强度的关系,为数值模拟计算与建立本构模型奠定了基础。     

基于Hoek-Brown准则的隧洞围岩变形研究

由于在许多实际条件下,比如节理岩体中,线性的M-C准则不太适用,非线性的Hoek-Brown比较适用,因此,可以尝试使用这一非线性屈服准则对洞室变形进行研究。研究隧洞变形时,将围岩分为弹性区、应变软化区、塑性流动区。采用Hoek-Brown准则和非关联流动法则对洞室变形进行了理论推导;软化区域围岩参数随着塑性变形增加而变化,解析法难以求得应力,采用龙格－库塔方法进行数值计算,求解得到塑性软化区和流动区半径,并最终求得洞室变形。通过算例计算表明,在不考虑软化区和流动区时,方法和Carranza-Torres计算结果相差甚小;随着原岩应力的增加,膨胀角对洞室变形的影响增大。     

考虑各向异性的原状软黏土微观结构变化机制研究

采用电镜扫描仪（SEM）对在复杂应力路径作用下剪切前后的黏土样进行微观观察,并从剪切前后孔隙排列、孔隙形态、孔隙尺度变化特征3方面分析宏观试验原状软黏土归一化抗剪强度各向异性的微观本质。试验表明：剪切前后孔隙排列无序,孔隙排列方向变化很小,对黏土宏观性质影响很小;当中主应力参数b=0时,剪切过程中孔隙形态的变化对剪切后黏土归一化抗剪强度表现出的各向异性贡献较大;当b =0.5时,剪切过程中孔隙尺度的变化对剪切后黏土归一化抗剪强度表现出的各向异性贡献较大。因此,当中主应力参数不同时,影响剪切后黏土归一化抗剪强度各向异性的土的微观变化因素不同。     

聚丙烯纤维复合土抗裂补强特性试验研究

将聚丙烯纤维按不同类型、不同组合、不同含量掺入土中的三轴压缩试验,研究了聚丙烯纤维复合土的应力-应变性状及对复合土强度特性的影响。试验结果表明,加固黏性土要选择分散性好的束状单丝聚丙烯纤维,而不是网状聚丙烯纤维,聚丙烯纤维按占土质量0.2%时为最佳掺入量,束状单丝聚丙烯纤维长度为6 mm+10 mm+15 mm+19 mm的4种组合较为理想,可使聚丙烯纤维复合土微结构联结强度得到明显改善,抗裂补强,黏性土抗剪强度得到极大的提高。