结构性吹填软土流变等时曲线研究

软土普遍存在结构性,结构性影响土体各种力学行为。对天津滨海新区结构性吹填软土进行三轴流变试验,通过对比分析原状土与重塑土流变等时曲线发现,结构性吹填软土流变等时曲线可分离为线性粘弹性变形、线性粘塑性变形与非线性粘塑性变形。在应力小于结构屈服应力时,流变等时曲线线刚度大;超过结构屈服应力时,伴随着土结构的破损,流变等时曲线线刚度逐渐减小,最终趋于一定值,与重塑土接近。结构性对流变等时曲线的影响主要集中在线弹性阶段,进入塑性阶段后影响较小。

等时曲线是摆线的证明

为了考虑等时曲线的求解问题,建立质点沿光滑曲线从一定高度下滑所需时间的公式,将该问题转化为一个积分方程的求解问题。对无限区间上的积分方程,利用拉普拉斯变换方法给出了求解方法,得到了积分方程解的解析表达式,然后将其变化为一个常微分方程的求解问题。对有限区间上的积分方程,利用含参变量积分的求导和积分交换次序方法,得到积分方程解的解析表达式。然后将等时曲线问题,转化为一个常微分方程的求解问题,通过求解得到等时曲线解的解析表达式,即摆线的方程形式,从而给出了具有等时性的曲线一定是摆线的证明过程,对等时曲线的问题给予了完整的解决。

质点沿任意斜线运动形成的等时曲线

研究粒子在某些不同阻力的条件下沿任意斜线无初速度开始运动的等时曲线,并给出等时曲线的解析表达式.

基于等时曲线的软黏土弹黏塑性模型

软黏土的变形与时间密切相关,包括固结效应与蠕变效应两部分,两者相互作用共同影响着土体的变形及长期变形。在Bjerrum等时曲线理论的基础上,推导了一个能描述软黏土变形时效特性的弹黏塑性本构模型,将此模型代替一维Terzaghi固结理论中的线弹性应力–应变关系,并进一步考虑非线性渗流的影响,实现了一维条件下蠕变–固结的非线性耦合作用。本模型中共有8个模型参数,物理意义明确,均可通过室内试验简单获取,利用Crank-Nicolson有限差分格式在一定的边界条件下可对控制方程进行求解。为验证此模型的有效性,对室内一维K0侧限固结试验及Leroueil和Kabbaj的等应变率试验成果进行了模拟,理论计算值与试验结果能够较好吻合。

基于等效等时应力应变曲线的金属材料多工况蠕变分析

为了在工程设计阶段评估涡轮叶片在多工况下的蠕变变形,基于单工况的等时应力应变曲线,提出了一种等效等时应力应变曲线的方法,并与发动机持久试车实例进行了分析比较。结果表明:基于等效等时应力应变曲线方法所计算的涡轮叶片卸载后的残余变形与发动机持久试车结果的相对误差的平均值为15.30%,而通常所采用的基于二维梁理论和基于时间步的三维有限元分析方法所计算的相对误差的平均值分别为45.35%,31.14%,表明该种方法具有较好的工程应用性。

基于等效等时应力应变曲线的燃气涡轮叶片多工况蠕变计算

基于等时应力应变曲线理论,提出了一种可用于计算多工况的等效等时应力应变曲线蠕变计算方法。运用该方法计算了某航空发动机燃气涡轮工作叶片,在先后经历4个状态(共150 h)持久试车工作状态后的残余变形,并将变形结果与其他蠕变计算方法以及真实发动机叶片经过150 h持久试车后的计量结果进行了对比分析。分析结果表明,与其他蠕变方法相比,本文作者提出的基于等效等时应力应变曲线蠕变计算方法在保持计算精度的同时,进一步提高了计算效率,更具有工程实用价值。

分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征。应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强。应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱。随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应。随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低。所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显。

巧解最速降线及其等时性

分析摆线形成的物理过程,写出参数方程,根据速度的合成规律求出摆线上各点的切线方向和摆线的长度,类比费马原理以及简谐运动与圆周运动的等效性,求证摆线的"最速性"和"等时性".

基于应力和时间双重影响下岩石蠕变模型研究

为了更好地描述岩石蠕变的全过程和表征加速蠕变阶段的变形特性,研究岩石蠕变力学机理并引入弹塑性损伤体,改进广义开尔文蠕变模型,进而构建1个可反映岩石加速蠕变变形特征的弹塑性损伤体蠕变模型,并提出一种确定蠕变模型参数的方法;通过室内三轴蠕变试验计算出不同时间和应力作用下的蠕变参数,分析不同应力作用下蠕变参数与时间关系,揭示蠕变参数劣化的实质和岩石蠕变变形破坏的机理。研究结果表明:当岩石的体积压缩状态转化为扩容状态后,体积模量的绝对值随蠕变应力增大而减小,且随应力水平增大以及时间推移,岩石的蠕变扩容效果越来越明显;而损伤影响程度系数反映了在蠕变变形过程中岩石内部损伤程度,当损伤影响程度系数增大时,岩石内部的损伤程度以及岩石的加速蠕变变形也越大;通过分析蠕变参数在时间作用下劣化规律,验证了该方法是合适可行的,且建立考虑应力和时间双重影响的蠕变模型,也较好地模拟了岩石从衰减蠕变到加速蠕变的变形全过程,同时更加准确地反映了岩石的衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性。

基于全应力-应变曲线的软岩蠕变寿命估计

软岩的蠕变寿命是岩石流变学研究的重要内容之一,是影响岩土工程长期稳定的重要因素。根据Goodman原理,蠕变破坏点位于全应力-应变曲线的下降段(破坏段)上。当等时应力-应变曲线簇用分离变量函数表达时,证明了对于给定应变(ε_F)处的等时应力-应变曲线的切线模量比和割线模量比随时间的变化规律相同。将破坏段曲线简化为直线,等时应力-应变曲线与破坏段的交点(蠕变破坏点)近似等于等时应力-应变曲线上某点(ε_F)的切线与下降段直线的交点,进而推导出了该交点的蠕变寿命的表达式。ε_F越接近峰值应变,误差越小。这样,可由短时蠕变曲线簇变换到等时应力-应变曲线簇,通过拟合方法求出给定应变(ε_F)下模量比随时间变化的表达式;再由全应力-应变曲线求出峰值应力与应变、给定应变(ε_F)下的应力与切线模量、下降段直线斜率等参数;即可得到软岩的蠕变寿命和长期强度。利用本文方法,对某泥岩的蠕变寿命进行了求解,得到了蠕变寿命随应力水平变化的表达式和长期强度值,理论结果与试验结果较吻合。

考虑蠕变变形的格室加筋土力学性质研究

格室条带的蠕变变形会对土工格室的网格尺寸和条带刚度产生影响。采用加速蠕变试验和分级等温法(SIM法)建立了分别由HDPE(高密度聚乙烯)、PP(聚丙烯)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)三种材料制作的格室条带的主蠕变曲线和等时应力应变曲线,研究了蠕变对网格尺寸和条带长期刚度的影响。基于加筋土应力应变响应计算模型研究了格室条带的蠕变变形对加筋土强度和刚度的影响规律。结果表明,蠕变变形导致网格尺寸的增量较小,而长期刚度衰减主要在蠕变前期较明显;拉伸应变较小时,条带刚度随时间增加衰减较明显;因蠕变变形影响,格室加筋土的峰值偏差应力减小明显,其幅度范围约30%~55%;蠕变后加筋土变形模量的衰减随着轴向应变的增加逐渐明显。

软黏土蠕变试验及其经验模型研究

针对湖南竹城公路路基软土开展了系统的三轴固结不排水蠕变试验,得到不同围压、不同应力加载等级下的全过程蠕变曲线。进而通过"陈氏加载法"得到分别加载下蠕变曲线和应力-应变等时曲线。以围压100 kPa为例,得出应力-应变关系采用幂函数,而应变-时间关系采用双曲线关系的蠕变方程。对比分析表明,该蠕变方程较Singh-Mitchell模型、Mesri模型更适应试验数据,能够更好地反映和预测该软土的蠕变特性。

基于蠕变试验的结构面长期强度确定方法

选取巴顿提出的10条标准剖面线中的第1,10条作为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇注成试件,在岩石双轴流变仪上,进行不同法向应力水平下的室内剪切蠕变试验。根据试验结果,利用过渡蠕变法、等时曲线法、蠕变曲线第一拐点法确定结构面试件在剪切状态下的长期强度,分析对比由该3种方法得出的长期强度的差异性,并基于本次试验结果讨论3种方法确定结构面长期强度各自在理论上与试验上的合理之处,同时也探讨3种方法的不足。该研究成果对于岩体长期强度试验方法的理论及其应用都是一次有益的探索。

湛江软粘土蠕变特性及经验模型

针对湛江软粘土开展了系统的三轴固结不排水蠕变试验,得到不同围压、不同应力加载等级下的全过程蠕变曲线,进而通过线性的Boltzmann叠加原理,采用"坐标平移法"得到分别加载下的蠕变曲线和蠕变等时曲线,蠕变等时曲线的折线形式说明湛江软粘土具有较为特殊的蠕变特性,故文中经验模型中的应力-应变关系在通常情况下采用线性函数,应变-时间关系采用双曲线函数形式,而在偏应力较低时采用Mesri模型。通过分析和对比,发现该蠕变方程较Singh-Mitchell模型、Mesri模型更适应试验数据,能够较为全面地反映和预测该软粘土的蠕变特性。

大岩淌滑坡滑带土蠕变性质研究

通过对大岩淌滑坡滑带土在固结压力为300,500,625,800,1 000 kPa下进行蠕变试验,得到了各级压力和剪切力的蠕变曲线。采用Burger模型来模拟流变过程,介绍了该模型参数的求取方法,并得到了模型的所有参数。通过等时曲线簇确定该滑带土的长期强度。在上述结果基础上,对该滑带土的流变特性进行了分析,讨论了Burger参数同剪切力与固结压力关系,并得出长期强度约为慢剪结果的0.76～0.77倍的结论。

多通道瞬变电磁法2D有限元模拟

多通道瞬变电磁法的反演工作是在大地脉冲响应的基础上进行的,因此本文用2D有限元正演来求取大地脉冲响应,实现多道瞬变电磁法的正演模拟研究.研究工作首先在有源大地电磁法2D有限元模拟的基础上进行,原有2D有限元法的频带相对于多通道瞬变电磁法的频带是窄频的,为此采用校正法将其扩展到所需的宽度,实现了频率域宽频带有源电磁勘探方法的正演模拟;然后通过频时变换变换到时间域,得到瞬变电磁法的阶跃响应;最后通过求取阶跃响应的时间导数,得到大地脉冲响应.针对多通道瞬变电磁方法的装置特点,用有一定埋深的顺层成矿模型分析了大地脉冲响应特征,发现对有一定埋深的顺层产出的矿脉模型来说,频率域电磁场结果以及时间域大地脉冲响应结果均需移除背景场才能突出异常体的存在,然而,在实际工作中,未知的背景场限制了其实用性.为此,本文利用多通道瞬变电磁方法数据量大的特点,提出用不同偏移距的等时曲线与等时断面来展示脉冲响应模拟结果,事实表明这两种展示方式可以清晰地分辨出矿体引起的异常,且能准确定位矿体的中心在地面的投影位置,从而说明多通道瞬变电磁方法相对于频率域有源电磁方法,对有一定埋深的顺层矿床有更高的分辨能力.

不同初始固结度吹填土蠕变特性研究

通过TSS10三轴流变仪,对不同初始固结度吹填土蠕变特性进行了研究。试验结果表明,固结度对吹填土蠕变变形影响明显。固结度越小,蠕变变形越明显;增大固结度,能够在一定程度上减小蠕变变形。蠕变变形黏滞系数与固结度和有效固结应力大致呈线性单调增函数关系。蠕变破坏强度随固结度的增大依次增大,但都小于瞬时强度。不同固结度蠕变应力-应变等时曲线均可用双曲线函数进行拟合。

堆石体K_0状态单向压缩流变实验研究

对两种堆石体进行了大型叠环式压缩蠕变试验,发现堆石体的应力-应变等时曲线具有明显的阶段性,当应力较低(0<σ<0.4MPa)时,应力-应变等时关系接近于线性;当应力较高(σ>0.4MPa)时,应力-应变等时关系呈现非线性,其非线性程度随着应力的增加和时间的延续而增强。根据堆石体应力-应变等时曲线的特性,对低应力段采用线性函数拟合,高应力段采用双曲线拟合。用实验得到的应力-应变关系代替Singh-Mitchell模型的应力-应变关系,保留模型原有的应变-时间关系描述堆石体的压缩流变特性,在此基础上,建立了堆石体K0状态的非线性压缩流变模型,求出了两种堆石体的模型参数。反演分析表明,该模型基本可以描述堆石体K0状态的流变行为。

炭质泥质灰岩饱水流变试验研究

采用岩石直剪流变仪对重庆武隆鸡尾山滑坡滑带(炭质泥质灰岩)进行了岩石饱水直接剪切流变试验。通过分析流变试验结果,从而得出滑带炭质泥质灰岩的剪应力-剪切位移曲线,进而得到软岩的长期强度。结果表明:炭质泥质灰岩饱水条件下与自然状况下流变强度和瞬时剪切强度参数相比,饱水状况下的长期强度有明显降低,饱水状况下炭质泥质灰岩摩擦系数比自然流变降低13.87%,比瞬时剪切的摩擦系数低40.91%;饱水状况下炭质泥质灰岩黏聚力比自然流变降低13.81%,比瞬时剪切获取的黏聚力降低36.67%。因裂隙损伤扩展,饱水条件下长期抗剪强度比自然状况下长期抗剪强度有所降低,但是没有直剪流变试验长期抗剪强度与瞬时抗剪强度相比降低显著,为深入认识和分析鸡尾山滑坡滑带软岩的流变力学特性提供重要的试验和依据。

巴东组软岩非饱和碎屑土夹层的长期强度

巴东组软岩碎屑土夹层的非饱和蠕变特性明显、强度时间效应显著,研究其长期强度对含碎屑土夹层软岩路堑边坡稳定性分析有所帮助.为研究非饱和碎屑土夹层的长期强度问题,首先利用GDS非饱和三轴仪开展碎屑土夹层的非饱和强度、蠕变试验,得到其不同基质吸力下的应力应变曲线、应变-时间曲线,分析基质吸力对其强度与蠕变特性的影响;其次基于碎屑土夹层的蠕变曲线,利用等时曲线法确定其不同基质吸力下的长期强度.结果表明碎屑土夹层的长期强度较瞬时强度大幅降低,强度产生折损,损失率在34%～62%之间.碎屑土夹层的基质吸力越小,其长期强度越小,强度损失率越大.即巴东组软岩碎屑土夹层的饱和度越高,其强度越小,在荷载长期作用下的强度损失越大,且强度损失率增加的幅度随饱和度的增高而不断增大.