考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型及数值实现

首先完善上下加载面模型中超固结状态参数R与结构性状态参数R*的定义,给出上下加载面修正剑桥模型更具普适性的推导过程;然后介绍考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型的半隐式本构积分算法及数值实现过程,并基于ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口编制上下加载面修正剑桥模型本构子程序;利用该模型模拟不同工况以及不同加载方式下超固结和原状土体的力学特性,以验证该本构模型对原状超固结土体的模拟能力以及所编写子程序的正确性和可靠性;最后进行Boom Clay三轴固结不排水剪切试验的模拟,完成将上下加载面修正剑桥模型应用于工程实际的关键一步。

考虑黏聚特性和拉压不等效应的修正剑桥模型及数值实现

针对修正剑桥模型不能反映岩土介质黏聚特性和拉压不等效应的局限性,通过子午面上考虑黏聚力、偏平面上考虑应力罗德角的影响,建立可考虑黏聚力与拉压不等效应的非相关联修正剑桥模型;较系统地介绍所修正模型的Euler向后隐式本构积分算法及程序实现过程。应用ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口,编制改进修正剑桥模型本构子程序,并运用所编程序研究比利时Boom clay的三轴压缩力学行为。研究结果表明,所编子程序具有较高的计算精度和良好的稳定性,所改进模型能较好地反映Boom clay的非线性与塑性流动特性。

压实黄土水理特性试验研究

为深刻了解黄土路基的浸水病变特征,认清路基破坏与浸水崩解之间的关系,对压实黄土进行了不同初始状态下的三轴渗透与崩解试验,并对三轴试验破坏前后的圆柱样崩解特性进行了对比分析。得出了压实黄土的渗透系数与干密度和周围压力的定性关系以及压实黄土的崩解特性与压实度、含水率的关系;对实际工程的防护提出了一些建议。

黄土路基CBR值影响因素研究

为了分析黄土路基CBR值的影响因素,采用正交试验设计,研究了浸水时间、压实度及二者交互作用和土样类别对CBR值的影响敏感性。结果表明:路基黄土CBR值对浸水时间最敏感,压实度次之,对土样类别最弱。

低温及冻融环境下岩体热、水、力特性研究进展与思考

研究低温及冻融循环条件下岩体热、水、力特性对于寒区工程冻胀机理研究及防寒保温设计具有十分重要的指导意义。综述国内外低温及冻融循环条件下岩石的物理力学特性,温度,渗流特性以及水、热、力耦合特性4个方面的研究现状以及取得的研究成果,并结合寒区隧道的特点,提出以现场监测、大量室内冻融试验和单轴、三轴压缩试验为手段,以研究低温相变条件下的导热系数等热、水、力学参数为基础,以建立含相变低温岩体水热耦合模型和考虑空气温度和湿度影响的隧道风流场湍流模型为前提,以获得通风条件下寒区隧道温度–渗流–应力–损伤耦合模型为目的,用以研究寒区隧道围岩的冻胀破坏机制;同时,开发出兼具轻质、保温、抗冻、抗裂和抗震等功能的泡沫混凝土,用于寒区工程保温层及抗震层使用的基本思路。

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。

宜-巴高速公路泥质红砂岩三轴应力松弛特性研究

软岩应力松弛特性研究是其长期力学特性研究的重要方面,亦是保证高地应力软岩隧道长期安全稳定的关键。采用TLW-2000三轴流变仪,对宜-巴(宜昌至巴东)高速公路泥质红砂岩进行围压为30 MPa的应力松弛试验研究。试验结果表明,在松弛过程中,随着松弛损伤的发展,导致松弛具有明显的非线性特征。对松弛过程中损伤耗散能变化规律的分析,建立松弛损伤的演化方程,并将损伤因子引入到西原模型中建立非线性的松弛损伤模型,通过与试验结果的对比分析,验证所建模型的合理性,可为宜-巴高速公路高地应力软岩隧道长期稳定性分析提供科学依据。

盾构隧道与竖井连接处管片及接头震害分析

建立弹性、刚性与柔性盾构隧道接头力学模型,考虑管片间及管片与地层间相互作用,结合南京纬三路越江盾构隧道,研究盾构隧道竖井连接处管片及接头震害机制及影响因素。结果表明:在地震荷载作用下,采用柔性接头时,管片、接头震害较弱但管片相对位移较大;采用刚性接头塑性区范围明显变大但管片相对位移较小,采用弹性接头相对位移与塑性区折中。另外,竖井外一定范围土体的加固及管片与地层间的接触非线性对管片及接头的震害影响较大。上述结论与盾构隧道震害资料吻合较好,可为类似工程抗震设计提供参考。

坑外降水条件下软土地层深大盾构工作井稳定性研究

采用合适的计算方法确定有效的围护方案是基坑设计中的难点。以南京纬三路过江隧道江北盾构工作始发井为依托,采用空间地基板法反演分析得到各地层m值,通过编制DLOAD子程序实现主动区与被动区的判别和相应荷载的施加,得到坑外降水条件下软土地层深大盾构工作井围护体系的受力与变形特征。计算结果与现场实测值较为吻合,从而证明采用空间地基板法配合反演得到的地层m值可有效预测工作井围护体系的变形与受力特征。为进一步优化设计方案,选定连续墙厚度、支撑截面尺寸及底板以下5 m范围内土体m值3个参数,通过正交试验进行参数分析,得到影响连续墙水平位移及支撑轴力的主要因素。计算方法及相关计算结果可为同类工程设计提供参考。

Boom Clay蠕变特性研究

Boom Clay为比利时第三纪细密黏土沉积物,其力学性质十分复杂,尤其是其显著的蠕变特性更需进行广泛的试验和深入的理论研究。通过室内固结和三轴蠕变试验,研究不同应力水平下的蠕变特性;建立以不可恢复应变为变量的不显含时间的分离型屈服面蠕变本构模型,避免了传统显含时间项的蠕变模型在土体经历加、卸载过程等复杂工况的实际计算中,具体蠕变时间确定的难题。将所建新型蠕变模型在ABAQUS软件中实现二次开发,并通过不同蠕变参数下的基本性能检验和蠕变试验的模拟,验证了所建模型的正确性和所编程序的可靠性。

影响重塑黄土湿陷性因素的试验研究

以陕西杨凌Q3黄土为例,通过对不同初始含水率和压实度重塑黄土土样的单轴压缩试验,总结了黄土湿陷系数随初始含水率、压实度和外力变化的规律,并利用试验结果进行回归分析,建立了湿陷系数与含水率、压实度和外力之间的定量关系,经过模型检验后证明该模型较为准确,具有一定的实用性,可以作为判别黄土湿陷性的一个初步依据。

黄土路基变形特性的试验研究

针对黄土路基的变形问题,通过室内压缩试验研究初始含水率、压实度及外荷载对压实黄土的变形的影响,得出了黄土压缩变形和湿陷变形随初始条件改变的变化规律,分析结果表明:路基黄土的初始含水率在一定的范围内才能同时满足压密变形和湿陷变形量都相对较小;适当地增大黄土的压实度有利于减小黄土的工后沉降量;外力是影响黄土变形的最重要的外在因素,外荷载在一定范围内增大会导致黄土变形量的增大。

压实黄土三轴湿化变形特性试验研究

采用常规三轴试验研究压实黄土浸水湿化变形特性,分析了不同初始含水率、压实度、围压、主应力差及湿化水头条件下黄土浸水湿化变形特点及原因。结果表明:土样固结稳定后进行浸水湿化再次达稳定状态所需时间随主应力差和初始含水率的增大而增大,随压实度、所加围压及湿化水头的增大而减小;土样湿化轴向应变随主应力差、湿化水头的增大而增大,随围压、初始含水率、压实度的增大而减小;而体变则随湿化水头增大而增大,随主应力差、围压、初始含水率、压实度的增大而减小。

陶瓷透水路面砖渗透系数与孔隙特征的定量关系模型

利用X射线计算机断层成像及图像三维重构技术获取了陶瓷透水路面砖的孔隙特征参数与渗透系数.基于沿程水头损失及局部水头损失影响因素,选取合适孔隙特征参数,并利用量纲分析法建立了渗透系数与孔隙特征参数的定量关系模型.结果表明:通过统计学检验方法对建立的定量关系模型进行检验,发现所建立模型是合理可靠的;渗透系数受有效孔隙迂曲度、有效孔隙半径均值的影响最大,受有效孔隙比表面积、有效孔隙等效喉道半径及有效孔隙等效喉道长度的影响较小.

融化作用下含冰裂隙冻岩强度特性及寒区边坡失稳研究现状

如何科学评价裂隙冻岩质边坡稳定性、如何采用有效措施保证冻岩边坡工程的安全建设和运营,已是目前岩石力学研究领域的一个重要课题.首先对青海木里地区含冰裂隙冻岩地层煤矿露采过程中的大规模边坡工程问题开展现场勘察和试验研究,分析了高寒地区冰体赋存特征、含冰地层消融特征及含冰地层融水出流特征;结合前人研究,较为全面地总结了含冰裂隙冻岩强度特性及冻岩边坡普遍性的变形失稳特点,提出寒区冻岩边坡失稳机理为冰-岩系统在热侵蚀和荷载共生作用下的热力耦合结果;对消融作用下含冰裂隙冻岩的物理力学、热力耦合特性及裂隙冻岩质边坡稳定性评价等方面的国内外研究现状进行了综述和讨论;认为开展融化作用下含冰裂隙冻岩体强度特性及边坡失稳研究将是与冻融损伤并重的一个新的研究方向.

高强防寒保温泡沫混凝土研制与工程应用

复杂地层寒区隧道填充材料需兼具防寒保温、抗震和优化支护等性能,为解决常规泡沫混凝土在复杂地层寒区隧道应用中存在的不足,通过正交试验得到了自制泡沫混凝土的最佳配合比,研制了一种高强防寒保温泡沫混凝土.通过室内试验,研究了所制泡沫混凝土的保温性能和冻融劣化特征,并采用数值分析方法探讨了西藏嘎隆拉隧道初衬和二衬之间加设泡沫混凝土垫层后的温度场变化规律.结果表明:该泡沫混凝土具有较好的保温性能和抗冻融损伤性能,同时强度、延性较普通泡沫混凝土都有明显改善.数值计算结果显示,当在初衬和二衬之间增设泡沫混凝土垫层时,其相应位置的温度变幅由不设置时的4.5℃变为2℃,最低温度由1℃提高到了3℃,表明加设所研制泡沫混凝土垫层对于阻止围岩受到隧道内冷空气的侵害具有非常显著的效果.

强触变性水泥基浆液研发及基本性能测定

为治理采空区灾害,提出采用强触变性浆液局部充填等精细化治理解决方案,强触变性浆液在流速极低或静置情况下能够快速失去流动性而呈现似固体状,可在大空洞采空区中流动范围有限并大角度堆积自立,在采空区治理工程中展现了很好的应用前景和实用价值。为了系统研究触变性水泥基浆液用于采空区充填治理的适用性,从强触变性水泥基浆液研发出发,开展了浆液稳定性、触变性、流变性及结石体强度特性等基本性能测定,并对其进行了概述;提出了触变系数的概念,弥补了触变指数、触变环法表征触变性随静置时间迅速增大的工程浆液触变性的不足。结果表明,所研发触变性水泥基浆液配比合理,成本低于120元/m3,触变性能突出,在1∶5的灰沙质量比下,结石体15 d单轴抗压强度超过1 MPa,满足充填堆积体强度要求。

粒子群算法改进及内变量本构模型参数反演

为了研究深埋煤矿巷道通常存在长时间、大变形问题,拓展岩土工程反分析的手段,改善岩土工程反分析的效率和精度,首先基于自然选择、自适应变惯性权重、异步变化学习因子的策略改进了粒子群算法并完成了程序实现,通过Sphere和Rastrigrin两函数测试了改进算法的优越性;其次以Matlab软件为平台,联合大型有限元软件ABAQUS,编制了岩土反分析程序Geo PSOInverse.m;最后应用所编程序反演了以不可恢复应变为变量的、不显含时间的泥岩蠕变模型参数。结果证实:改进的粒子群算法在岩土工程参数反演计算中体现出了可靠的反演能力和很快的收敛速度,可进行复杂采矿工程的实践应用。

巨厚富水松散砂层溃砂灾害现状与注浆固沙技术研究及应用

富水砂层是工程建设常遇见的不良地层,在含水或动力扰动下具有自流性,处理不当常会引起向临空面溃涌并充填人类有用空间和地表大面积塌陷,形成涌水溃砂灾害。通过总结富水砂层地下工程和煤矿开采中的突水溃砂机理及防治研究现状,针对富水巨厚砂层下的隧道和采矿工程中出现的涌水溃砂灾害,结合已有研究总结了涌水溃沙产生机理及主要因素,通过室内实验和现场测试,研究了巨厚富水砂层注浆固沙施工方法,形成了专利技术。通过两个工程实例分别介绍了浅埋煤层薄基岩顶板上覆厚松散层井下注浆改造工艺和巨厚富水砂层斜井地面注浆固沙工艺,在实践应用中验证了所提技术的有效性。

煤炭采空区触变性钼尾矿充填浆液配比研究

本着减少自然资源消耗的目的,在触变性水泥浆中加入钼矿冶炼后产生的固体细颗粒钼尾矿砂,通过正交试验进行触变性钼尾矿水泥浆液的配比设计,并测试其触变性、结石体抗压强度和析水率。基于试验结果,提出触变系数的计算方法。通过极差分析,可得正电胶质量分数、水灰比和固相比对浆液的触变性、析水率和相应的结石体抗压强度的影响程度。当正电胶质量分数为6%,水灰比为0.8,固相质量比为6∶4时,触变性钼尾矿水泥浆液性能最佳。