改进西原蠕变模型研究及二次开发计算

为了研究黏土在不同应力水平下的蠕变规律,基于软黏土流变模型及已有的黏土蠕变试验结果,分析3种常用的经验蠕变模型对软土蠕变研究适用性,提出幂函数非线性元件,在传统西原模型的基础上引入非线性黏塑性体(NVPB)构成改进的西原模型。研究结果表明：幂函数描述黏土在低应力和高应力条件下所表现的变形特点都有着较高的准确度,改进西原模型能够较好地描述黏土蠕变的非线性问题以及黏土在高应力水平下的加速蠕变变形。利用自定义本构程序开发接口UMAT对该模型进行二次开发并对模型进行验证。改进的西原模型对比经典西原模型能够更好地描述在不同应力水平下软土的的蠕变变形特征。研究结果可为软土地区沉降预测提供理论参考。     

花岗岩蠕变特性及分数阶黏弹塑性模型研究

为了解花岗岩蠕变特性,采用全自动岩石三轴伺服仪对其开展试验研究,在常规三轴压缩试验基础上进行多级加载蠕变试验,系统分析花岗岩蠕变过程中整体蠕变规律和同围压不同应力水平下的轴向及环向蠕变变形量、蠕变速率随时间的变化规律。基于分数阶微积分算子及损伤力学理论,在Scott Blair黏壶基础上,考虑蠕变参数的非定常性,建立花岗岩黏弹塑性蠕变本构模型,并推导出其在恒应力情况下的三维黏弹塑性蠕变本构模型。结合花岗岩室内多级加载蠕变试验结果,采用Quasi Newton（BFGS）法对三维蠕变模型参数反演。结果表明,提出的模型与试验数据拟合较好并克服Nishihara模型不能描述蠕变非线性加速特征的不足,能够很好地反映花岗岩三阶段蠕变过程。     

分级加载条件下红砂岩蠕变特性试验研究北大核心CSCD

岩石的蠕变性质是引起工程岩体破坏的主要原因之一。通过进行分级加载蠕变试验,分析了红砂岩在不同加载应力条件下的蠕变特征。试验结果表明:在不同加载应力条件下,试件等速蠕变阶段应变速率与加载应力呈指数函数关系,并且当加载应力大于损伤强度σcd时,径向等速蠕变阶段应变速率大于轴向;同时,试件在破坏过程中存在加速蠕变阶段不明显的现象。根据蠕变破坏过程中黏滞系数的变化特点,将理想黏塑性体中的黏滞系数定义为时间的负指数函数,建立了一个非定常西原蠕变模型,该模型能较好反映红砂岩在单轴压缩条件下的蠕变特性。     

分级加载条件下红砂岩蠕变特性试验研究

岩石的蠕变性质是引起工程岩体破坏的主要原因之一。通过进行分级加载蠕变试验,分析了红砂岩在不同加载应力条件下的蠕变特征。试验结果表明:在不同加载应力条件下,试件等速蠕变阶段应变速率与加载应力呈指数函数关系,并且当加载应力大于损伤强度σcd时,径向等速蠕变阶段应变速率大于轴向;同时,试件在破坏过程中存在加速蠕变阶段不明显的现象。根据蠕变破坏过程中黏滞系数的变化特点,将理想黏塑性体中的黏滞系数定义为时间的负指数函数,建立了一个非定常西原蠕变模型,该模型能较好反映红砂岩在单轴压缩条件下的蠕变特性。     

硫酸盐腐蚀作用下膏体充填材料蠕变特性研究

为研究硫酸盐腐蚀后膏体充填材料的蠕变特性,采用饱和的Na2SO4溶液对充填体进行腐蚀试验,并对各个腐蚀时间不同的充填体采用TAW2000型岩石三轴试验机进行三轴蠕变试验。根据试验数据建立膏体充填材料的蠕变本构模型,将一个应变触发的非线性粘壶串联到Burgers模型上,建立满足充填体蠕变特性的改进Burgers模型,并推导其一维和三维蠕变本构方程。研究结果表明:在硫酸盐腐蚀作用下,充填体的蠕变变形在腐蚀6d时出现了一定的减少,但随着腐蚀时间的推移蠕变变形明显加大,在应力较大时出现了加速蠕变并导致试件破坏,硫酸盐腐蚀作用严重影响了充填效果;建立的改进的Burgers模型与试验数据基本吻合,能够反映腐蚀后充填体蠕变规律。     

干燥蠕变与浸水湿化泥质岩粗粒土时效变形特性试验

由于环保及土地资源保护的迫切需要,泥质岩类软岩开挖粗粒土广泛应用于填方体工程,其蠕变及湿化变形是导致填筑体土工结构安全隐患的主要原因,已成为影响山区机场、土石坝及道路铁路路基等设施长期变形及稳定性问题的重要因素.为揭示粗粒土在干燥及浸水环境下的时效变形特性及其影响因素,以四川红层开挖土石料配置成不同缩尺的粗颗粒土,在模拟竖向加载及侧向约束下,对粗颗粒土干燥与浸水湿化蠕变特性进行了试验.结果表明:不同缩尺下的粗粒土具有不同的级配曲线,等量替代法缩尺模型粗颗粒质量占比最大,混合法缩尺模型粗颗粒质量占比居中,相似级配法缩尺模型粗颗粒质量占比最小;粗粒土干燥蠕变与浸水湿化蠕变特性差别较大,干燥蠕变主要因受力颗粒骨架时效变形引起,浸水湿化蠕变主要因颗粒软化破碎及结构重新排列引起;粗粒土干燥及浸水下时效变形特征与颗粒级配和细颗粒含量等密切相关;粗粒土干燥阶段的变形可采用分三部分的变形模型进行拟合,而浸水阶段的变形可采用广义凯尔文模型拟合,拟合效果良好.     

基于广义伯格斯模型的岩石损伤蠕变模型

为了描述岩石加速蠕变阶段的非线性黏塑性变形特征,首先对Kachanov提出的损伤律公式进行积分,推导出损伤变量在加速蠕变阶段随应力和时间的演化方程;然后将理想黏塑性模型中的黏性参数用有效黏性参数来代替,从而建立黏塑性损伤体,将其与广义伯格斯模型中的六元件模型串联,得到一种新的岩石损伤蠕变模型;根据塑性力学推导该模型的三维蠕变方程,采用泊江海子煤矿中砂岩和砂质泥岩的三轴压缩蠕变试验数据验证模型的有效性。结果表明:新的损伤蠕变模型理论曲线与蠕变试验曲线吻合较好,用该损伤蠕变模型可以较好地描述这2种岩石的非线性加速蠕变特性。     

非均质黏土地基单桩基础水平极限承载力研究

为减少海上风机长期受到风浪流等水平荷载的影响,利用ABAQUS软件建立非均质黏土单桩基础极限承载力有限元模型,利用温度作为虚拟变量以反映非均质黏性土抗剪强度随深度变化的关系,采用生死单元法进行地应力平衡,并比较有限元得到的水平荷载下单桩基础承载力变化结果与离心机试验结果,以验证其准确性。结合刚性桩与刚柔性桩水平极限荷载下土体失效模式,分析不同长径比、土体弹性模量系数、桩土摩擦因数等参数对单桩基础水平极限承载力影响。结果表明：桩体预埋深度增加后,桩体从刚性桩向刚柔性桩转变,土体破坏模式从楔形、旋转破坏转变为楔形、满流和旋转破坏。土体弹性模量系数对单桩基础水平极限承载力影响较小,长径比和桩土摩擦系数对单桩基础水平极限承载力有较大影响。     

急倾斜软底煤巷围岩蠕变试验及变形控制

为解决急倾斜软底煤巷围岩蠕变量大、控制难的问题,以大安山矿为研究对象,采用室内压缩蠕变试验及数值模拟相结合的方法研究煤巷围岩蠕变规律。对底板泥质砂岩和顶板砂岩分别进行不同围压下分级增轴压的蠕变试验,根据曲线特征选取Cvisc蠕变模型、计算蠕变参数并反演。采用Flac3D中蠕变模块,对原支护和改进支护效果进行模拟对比分析。结果表明,围压从0 MPa增大到4 MPa时,泥质砂岩蠕变破坏强度从12 MPa提高到19.4 MPa;随着应力水平提高,不同岩样的瞬时变形、衰减蠕变持续时间和稳态蠕变速率均增大;泥质砂岩比砂岩蠕变变形明显;岩样蠕变特性可用Cvisc模型描述。煤层底板侧软岩强蠕变造成煤巷左帮大变形和底鼓;确定二次支护时机为一次支护后300~400 h;改进支护方式后,煤巷围岩变形得到有效控制。     

SPH方法在土工大变形分析中的应用研究进展

瞬时土工大变形往往给人民的生命及财产安全带来巨大损害.为此,预测其路径、速度和深度等形变特征,对正确提出缓解和保护措施极其重要.光滑粒子流体动力学(SPH)是一种纯Lagrange、无网格计算方法,可避免极度大变形时网格畸变而造成计算停止等问题.总结了SPH的发展历史与研究现状,对国内外主要数据库相关学术论文的收录情况进行统计分析,结果显示SPH已进入快速发展阶段.综述了SPH的基本理论、土体本构模型、边界条件方面的新进展,介绍了SPH在土工大变形分析中的实际应用——泥石流、土坡滑移、土体爆炸模拟方面的典型成果,指出了SPH在土工大变形模拟方面的研究方向.     

埋地PE燃气管道地质沉降破坏数值分析

为研究地质沉降过程中埋地聚乙烯(PE)燃气管的破坏历程,基于PE管材的拉伸力学试验,拟合出改良的Sherwood本构模型方程,得到基于应变率的PE管材失效预测模型;利用Abaqus软件对不同沉降阶段和不同坡度下的PE管道力学响应情况进行仿真研究。结果表明:四阶Sherwood本构模型能表达并预测PE管道力学响应,土体沉降错位量和土体沉降深度对管道的应力、应变分布特征和椭圆度有直接影响。     

基于加速蠕变改进的巷道围岩蠕变模型

为了研究流固耦合在岩石蠕变过程中的作用机制,利用MTS815. 02岩石力学试验系统,对巷道围岩(砂岩)开展蠕变试验,研究岩石在蠕变过程中的变形破坏特性,基于加速蠕变改进的蠕变模型来描述蠕变过程,采用最小二乘法识别蠕变参数,分析蠕变参数随应力和时间的变化过程;将自定义蠕变方程嵌入ANSYS有限元软件,数值模拟了饱和砂岩试样的流固耦合蠕变全过程。结果表明:该蠕变模型可以较好地描述岩石蠕变全过程;数值模拟结果与试验结果吻合,验证了该蠕变模型和蠕变参数随时间变化规律的正确性和合理性,可为深部工程的隧道围岩加固、灾害防治和支护设计提供依据。     

软弱夹层非线性流变损伤本构模型研究

为解决传统流变本构模型不能较好地反映软弱夹层流变非稳定阶段的问题,首先,基于传统流变本构模型理论,通过串、并联基本元件,同时引入时间损伤阈值,并提出流变损伤演化方程,建立一种能够同时描述软弱夹层3个阶段的NRDM非线性流变损伤模型;然后,通过软弱夹层剪切流变试验数据进行流变损伤模型参数的辨识,获得NRDM模型的流变参数;最后,对比分析流变模型拟合曲线与剪切流变试验曲线。结果表明,NRDM非线性流变损伤模型能够较好地描述软弱夹层流变的3个阶段,尤其是加速流变阶段。NRDM非线性流变损伤模型可以为软弱夹层流变失稳提供理论依据。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

降雨条件下特高压输电线路基础安全稳定性研究

为解决降雨影响特高压(UHV)输电线路杆塔基础的抗拔承载性能及安全稳定性问题,以现场试验获取的荷载-位移数据曲线和室内试验得到的土体参数为基础,根据饱和-非饱和土统一的渗流方程和抗剪强度方程,建立理论模型,并进行数值计算分析,得到与基础抗拔现场试验结果相吻合的数值计算结果;基于验证的理论模型,在不同降雨条件下,分析非饱和-饱和渗流场的演化特征、地基土体塑性区的发展以及基础抗拔承载性能的变化特征。结果表明:在降雨条件下,极限承载力在渗埋比相同的情况下与基础深径比相关,基础深径比变小,极限承载力会发生显著衰减,基础的安全稳定性变差。     

尾矿坝边坡失稳判据研究

为避免尾矿库失稳破坏所带来的巨大损失和灾难,依据尾矿坝边坡破坏特征,将坝体边坡的破坏全过程分为连续的变形阶段和非连续的滑动阶段。建立相应的数学模型,采用蠕变理论及李雅普诺夫函数法分析尾矿坝边坡变形、滑动过程的稳定性,提出尾矿坝边坡失稳的加速度判据,得出滑动过程位移解析解。运用FLAC3D对山西某尾矿坝边坡进行计算,得到安全系数为1.67,边坡稳定;通过坝体边坡表面某点位移监测曲线可以看出ü<0,采用加速度判据可得此边坡稳定,与数值模拟结论相同。     

赤泥渗滤液对压实黏土衬垫的侵蚀机理研究

针对赤泥渗滤液生态环境污染严重这一热点问题,研究赤泥渗滤液对压实黏土衬垫的侵蚀机理.通过地球化学平衡软件(Visual MINTEQ)模拟赤泥渗滤液中各个元素的赋存形态,同时开展渗透试验、污染物离子浸出测试、剪切试验以及微观结构观测,分析化学腐蚀作用对压实黏土渗透性、抗剪强度和微观结构的影响规律及作用机理.结果表明:赤泥渗滤液中铝主要以Al(OH)4-的形态赋存;赤泥渗滤液作为渗透溶液,压实黏土的渗透系数为4.07×10-11m/s;赤泥渗滤液降低了压实黏土的抗剪强度,且主要体现在黏聚力上,对内摩擦角影响甚微;黏土与渗滤液之间的水化反应产生了一些水化产物和胶结结构,同时水的渗透压力附带土粒填充了土体原有的结构空隙,土体结构得到优化.赤泥渗滤液使压实黏土化学相容性有所提高.     

排土场稳定性影响因素显著性研究

为提升排土场稳定性,以某露天煤矿排土场为例,结合正交试验和强度折减法,开展排土场稳定性影响因素显著性研究.通过分析资料与野外调研,厘定典型排土场稳定性诱发因素,构建排土场真三维地质模型,反演验证和分析排土场的岩土体参数和变形规律特征,得出排土场边坡内部应力和位移的变化特征以及塑性破坏区分布范围;以真三维网格模型中最危险...     

开挖扰动及降雨入渗影响的地表沉降特征研究

为研究施工扰动和强降雨浸透影响下的地层变形演化特征,采用通用离散元程序(UDEC),开展不同降雨强度及不同开挖深度组合下地表沉降特征的模拟研究,探索开挖过程中的地表孔隙水压力及位移场分布规律。结果表明:随着开挖深度的增加,孔隙水压力逐渐减小,而土层的沉降量明显增加,且两者均受监测点与开挖位置之间距离的影响;降雨条件下土层的沉降量易受开挖工况的影响,靠近土体上层的土质(如杂填土及碎石填土,黏性土和砂土等)在开挖后产生的沉降量变化相似,下层的土体(如构造破碎带)相对发生沉降量较小;此外,上层土体的性能松散,透水性较好,具有较大的变形特性,所以,降雨入渗会增加上层土体的沉降量。     

基于胶结系数岩石强化的蠕变控制模型

深部巷道围岩破碎、注浆模式复杂、流变特性显著。探索破碎岩体胶结模式及蠕变控制模型,将利于深部巷道围岩稳定。通过对大理岩和粗砂岩进行取样—劈裂—蠕变—胶结4个步骤的制样,在RLW-2000型三轴流变仪上,对大理岩和粗砂岩2组试样进行损伤胶结强化蠕变试验,分析损伤岩石劈裂胶结强化后的基本蠕变特性,确定劈裂岩石胶结基本模式,推导基本劈裂岩石胶结强化的蠕变本构模型,并进行反演对比分析。结果表明:随着蠕变应力水平提高,大理岩蠕变应变呈缓慢增加—加速增加—急速增加过程,而粗砂岩蠕变应变呈减小—稳定—增加过程,均表现为试样裂隙的持续压密、扩展与贯通失稳;胶结岩石的胶结形态分为紧缝胶结与厚度胶结2种模式,紧缝胶结优于厚度胶结;厚度胶结的胶结厚度越大,胶结岩石体强度越大,但增幅呈衰减趋势;推导M-K-B本构模型符合胶结岩石蠕变基本特性;在同一蠕变应力水平下,随着胶结系数提高,胶结岩石蠕变应变减小,但减幅变小。