冻结重塑黏土分数阶蠕变本构模型分析

人工冻土的蠕变特性受温度场、水分场、应力场的相互影响,而传统的岩土本构模型未能考虑温度、含水率等因素。为了表达冻土介于理想固体和理想流体之间的某种“勾兑效应”,基于岩土的经验模型,将分数阶导数理论引入其中,建立受水、热、力三场耦合影响的人工冻土分数阶蠕变模型。将西安某煤矿黏土重塑并进行不同温度、含水率的单轴抗压和单轴蠕变试验,得到温度和含水率对冻结重塑黏土强度特性和蠕变特性的影响规律。分析冻结重塑黏土在不同负温、含水率及两种应力等级下的蠕变曲线,得到lg t-lgε曲线的线性关系,进而得出冻结重塑黏土分数阶蠕变模型相关参数与温度、含水率的函数关系。对比分数阶冻土蠕变模型试验值与计算值,发现该模型能够很好地反映冻土在不同应力等级下其蠕变随温度和含水率的变化规律,对指导寒区冻土工程设计与施工具有重要意义。

冻结黏土分数阶损伤蠕变模型参数确定及验证

为表达介于理想固体和理想流体之间的人工冻土蠕变特性,常用弹簧元件、黏壶元件与滑块元件间的复杂组合来实现。基于分数阶导数理论则可用较简单的模型来表达人工冻土蠕变性质。分析山西某矿井井筒检查孔黏土不同冻结温度下的单轴抗压、蠕变试验曲线,得到温度对冻结黏土单轴抗压应力应变及蠕变特性的影响规律。在Singh-Mitchell模型的基础上,引入分数阶导数理论,建立受冻结温度、加载等级影响的分数阶冻土蠕变模型。通过分析蠕变与时间取对数的拟合曲线发现两者具有线性关系,进而得出与温度有关的模型参数。鉴于建立的分数阶冻土蠕变模型不能反映冻土蠕变加速阶段,将损伤因子引入建立的分数阶蠕变模型,建立人工冻土分数阶损伤蠕变模型。对比分析分数阶蠕变模型计算值与试验值,表明该模型能够很好地反映人工冻结黏土在稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段变形发展特点。建立的Singh-Mitchell分数阶蠕变模型参数少、易于确定且有一定的物理意义,便于工程应用。

冻结泥炭质土分数阶蠕变模型参数确定及验证

人工冻结法是在泥炭质土地层中施工的一种有效方法。为了更加准确地预测冻结泥炭质土的蠕变规律,以昆明地区泥炭质土为研究对象,配制了3种含水率的重塑试样,进行低温条件下的单轴抗压和单轴蠕变试验。在得到土体强度与冻结温度、含水量间的关系的基础上,引入分数阶微积分算子构建了人工冻结泥炭质土分数阶蠕变模型,并通过联立方程组的方法求得各项模型参数。研究结果表明,该模型可以较好地描述冻结泥炭质土在低应力水平下蠕变随温度、含水率的变化规律,计算结果与试验数据之间拟合度好;所建模型参数较少、易于确定且物理意义明确。该模型为淤泥质土层人工冻结壁变形计算提供一种有效方法。