土体耦合蠕变模型在基坑数值模拟开挖中的应用

工程实践表明,软黏土地区基坑施工具有显著的时空效应,时间硬化幂函数法则与Druker-Prager屈服破坏准则耦合的蠕变模型可以反映基坑施工中的时间效应。通过室内三轴流变试验数据拟合模型中的参数,并将其用于深基坑工程的施工模拟,重点分析了支护时间对围护结构变形和内力的影响特点。数值计算结果与实测数据吻合较好,可为同类基坑工程设计施工提供参考。

时间硬化与Druker-Prager耦合蠕变模型的应用研究

研究了ABAQUS有限元软件中的时间硬化幂函数法则与Druker-Prager屈服破坏准则耦合的蠕变模型,通过室内三轴流变试验数据拟合该模型中的参数,将该模型用于深基坑工程的开挖模拟,所得数值计算结果与实测数据吻合较好,为基坑工程的流变数值模拟提供了一种实用计算方法。

在裂隙岩体中开挖隧道的双场耦合蠕变分析

运用黏弹性断裂、蠕变理论,对裂隙围岩在开挖时的蠕变现象进行分析,建立了隧道开挖的双场耦合蠕变模型。运用Laplace转换,推导出围岩的径向位移函数表达式,分析了应力卸荷、渗流力的作用以及节理裂隙分布对径向位移的影响。同时,利用FLAC中的FISH语言编写了FISH函数,将计算隧道模型的数值及解析结果与实测数据进行了比较。计算结果表明,径向最大位移变化量并不在主应力最大方向,也不在隧道顶端,而是受地应力分布、渗透水压和节理分布综合作用形成偏压位移,其结果可为隧道支护提供借鉴。

裂隙岩体中径向位移的双场耦合蠕变分析

在富含裂隙的岩体中,隧道开挖引起应力场和渗透场的变化而产生卸荷变形是非常复杂的力学过程。运用粘弹性断裂、蠕变理论,建立在裂隙岩体中隧道开挖的双场耦合蠕变模型,结合Laplace转换推导出围岩的径向位移函数表达式,说明应力卸荷、渗流力的作用以及节理裂隙分布对径向位移的影响。模型计算结果表明,径向最大位移变化量并不在主应力最大方向,也不在隧道顶端,而是受地应力分布、渗透水压和节理分布等综合作用有所偏移。

型钢框架-锚索-岩土体耦合蠕变行为

通过现场试验,揭示了型钢框架-锚索-岩土体的耦合蠕变行为,建立了支护体系耦合效应下锚索蠕变模型和锚固力损失计算模型.基于蠕变损伤理论构建了锚固力损失过程中等效蠕变刚度损伤计算模型.研究结果表明,粉土地层中,拉力型锚索在有效锚固长度范围内增加锚固段长度可提高其抵抗蠕变能力,压力型锚索受锚固体挤胀作用影响,可有效减小锚固力损失.型钢框架-锚索-岩土体耦合蠕变模型及锚固力损失计算模型皆展现出较好的计算效果,等效蠕变刚度损伤模型可有效预测等效蠕变刚度的损失状态,并准确描述锚固力的衰减规律.

土体耦合蠕变渗流模型在隧道沉降数值模拟中的应用

地铁隧道不均匀沉降不仅影响隧道本身结构安全,也会对其中运营地铁带来威胁。在隧道的开挖、静置、运营阶段,都会有沉降的产生,不同阶段隧道沉降的主因不同,但总的来说主要来自于周围土体塑性变形、蠕变、渗流固结等方面。基于Drucker-Prager塑性模型,考虑蠕变和渗流耦合作用,通过数值分析发现软土地区浅埋隧道开挖期的隧道底部隆起主要由周围土体塑性变形引起且变形较小,静置期的沉降主要由周围土体排水固结引起且变形较大。

弱胶结断层岩体蠕变–冲蚀耦合突水模型

为研究弱胶结断层岩体突水灾变过程的时空演化特征,构建了弱胶结断层岩体蠕变-冲蚀耦合突水模型。该模型拓展了连续等效介质渗流理论,分别建立了弱胶结断层岩体的蠕变子模型和冲蚀子模型,其中所建立蠕变子模型充分考虑物质间质量转化、应力-应变及应变-孔隙率之间关系;所建立冲蚀子模型充分考虑了物质质量守恒、颗粒迁移及非Darcy流动规律。根据质量守恒方程叠加原理及孔隙率-有效应力、孔隙率-蠕变材料系数、蠕变应变-孔隙率-渗透率3组影响关系实现了子模型间的耦合,并给出了一维径向渗流方向耦合模型的控制方程。设定了突水模型的定解条件,并基于COMSOL Multiphysics计算软件构建了模型在空间和时间域的数值解算方法。通过比较室内试验及模型计算的孔隙率演化结果,验证了该模型的有效性。在此基础上,求解并分析了突水过程中巷道弱胶结围岩蠕变-冲蚀特征的时空演化规律。模型计算结果表明,对于蠕变演化特征,随着时间增长,有效应力下降,蠕变应变增加,试样出现加速蠕变特征;有效应力和蠕变应变空间分布的非均匀性特征随蠕变-冲蚀耦合进程显著加强。对于冲蚀演化特征,蠕变-冲蚀耦合进程初期细小岩石颗粒在渗水作用下不断迁移流出,液化颗粒体积分数增加,渗透率和流速不断增长,弱胶结岩体内部不断形成新的导水通道,后因蠕变效应逐渐增强,冲蚀效应有所减弱,并最终陷入停滞状态;越靠近巷道内壁,冲蚀效应越强,冲蚀效应停滞后孔隙率和渗透率的空间分布呈现出明显的非均匀特征,水压空间分布在蠕变-冲蚀耦合进程中呈现出非线性-线性-非线性的变化趋势。

考虑筋材蠕变-温度耦合效应的加筋土挡墙变形分析

基于既有土工合成材料筋材蠕变试验结果及蠕变特性分析,构建一种考虑蠕变-温度耦合效应的筋材本构模型,并利用二维瞬态热传导方程,建立计算加筋土挡墙温度的有限差分公式,进而确定加筋土挡墙温度并结合筋材本构模型计算面板水平位移和筋材最大应变,综合分析了初始温度、温度幅值、筋材层间距、墙顶超载、填土内摩擦角和导热率等因素对挡墙水平位移和筋材应变的影响。计算结果表明:挡墙竣工后初次环境温度升温过程使面板水平位移和筋材最大应变增加明显,后续温度周期性变化时挡墙变形增长缓慢;挡墙初始温度越高,其初期变形增加明显,而增加温度幅值导致面板长期变形量增加明显;增加墙顶超载、筋材层间距或减小填土摩擦角,导致相同时间内面板水平变形增加明显;填土导热率对面板水平位移和筋材最大应变的影响较小;环境温度周期性变化下,3 a内挡墙最大水平位移δ_(max)与墙高H比值δ_(max)/H变化范围在0.9%~1.5%;筋材最大应变靠近面板且最大值接近10%的限值,实践中应重点关注靠近面板的筋材长期性能变化对加筋土挡墙变形和稳定性影响。

不同温度-围压-气体压力下煤体蠕变-渗流演化规律

为实现深部煤层气的高效开采,通过研究不同温度、围压和气体压力下煤体蠕变变形和渗透率演化规律,得到多因素作用下煤体蠕变-渗流耦合关系;采用自行设计的岩石三轴蠕变-渗流装置,对焦煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验。结果表明:温度与煤样的蠕变呈正相关性,随温度的增加焦煤煤样径向和轴向应变变化速率增大且高温(110℃)下这种变化会一直持续直至煤样破裂;围压强度3 MPa与4 MPa的焦煤煤样在温度30、70、110℃下其气体渗透率降低率最大和最小差值分别为7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%;焦煤煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,试验温度110、70、30℃下的焦煤煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%、73.25%。

煤岩蠕变-渗流耦合规律实验研究

基于煤岩瞬态渗透法,对煤岩试件进行蠕变-渗流耦合试验;对于不同的围压、孔压条件下,通过蠕变破裂过程中的渗透性试验,拟合出相应蠕变-渗透率曲线,揭示渗透率的变化和煤岩试样的蠕变损伤的一致性;据Issac Newton提出的均差法,在蠕变-渗透率耦合曲线上给出一定数量的关键点和试验点上进行插值,获得渗透率-蠕变拟合方程。

加卸载条件下石英岩蠕变–渗流耦合规律试验研究

以大东山隧道的石英岩为研究对象,进行循环加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合试验,分析了岩石加卸载过程中的蠕变、渗透性变化规律和渗流–蠕变耦合机理,得到压密阶段、裂纹扩展阶段和裂纹贯通阶段岩石体积应变的发展规律,总结了渗透率与体积应变之间的关系。试验表明:轴向荷载0~50 MPa为压密阶段,继续加载则产生不可恢复变形,当达到160 MPa时蠕变曲线进入加速段;随着轴向荷载水平的增加,渗透率总体趋势先降低后增高,最小值出现在最大压密点,蠕变过程进入加速段以后渗透率急剧增大。采用FLAC3D中的Cvisc模型为蓝本,以体积应变为桥梁建立ZSI(zone state index)与渗透率的关系,自主开发了基于应变软化的改进非线性蠕变西原模型,对试验结果进行验证。数值模拟表明:靠近进水端的渗透率比出水端变化快,不同应力下ZSI值云图的破损区与试验中岩样的"V"型剪切带破坏模式基本一致,渗透率的理论曲线与计算曲线吻合较好。说明提出的模型能够很好地反映加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合特性和局部破坏规律。

蠕变-渗流耦合作用下不同埋深有效抽采半径研究

为了研究不同埋深有效抽采半径,建立了钻孔周围煤体黏弹塑性模型,研究了不同埋深钻孔孔径变化规律及有效抽采时间,建立了蠕变-渗流耦合作用下的瓦斯运移模型,确定了不同埋深钻孔的有效抽采半径。研究结果表明:深部煤层有效抽采半径受到煤体蠕变变形加剧、渗透率降低及瓦斯压力升高的综合作用;试验矿井埋深400及600 m煤体蠕变变形较为平缓,钻孔缩孔幅度有限,仍维持较好的抽采通道,所有抽采时间均为有效抽采时间,但是埋深800 m煤体蠕变变形愈加剧烈,钻孔缩孔速度快速增加,仅30 d就会堵塞抽采通道,其有效抽采时间仅为30 d;埋深400,600和800 m钻孔3个月的有效抽采半径分别为2.88,1.62和0.82 m,数值计算结果与现场实测相吻合,研究成果可为抽采钻孔的优化布置提供参考。

蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔周围煤体渗透率时空演化规律

为了研究水力冲孔周围煤体瓦斯运移规律,研究了水力冲孔周围煤体的应力、体积应变和孔径变化规律,建立了蠕变-渗流耦合作用下的水力冲孔周围煤体渗透率动态演化模型,揭示了水力冲孔周围煤体渗透率的时空演化规律,阐明了蠕变变形和基质收缩对渗透率的控制作用机理。研究结果表明:水力冲孔措施可以大幅度提高钻孔周围煤体的渗透率,在空间上煤体渗透率随距离呈负幂函数关系迅速降低(K=2×10^(-16) r^(-2.4));在时间上煤体渗透率随抽采时间的延长而逐渐增大,但是增加梯度会逐渐降低;水力冲孔周围煤体渗透率的增加主要受到煤的蠕变变形控制,基质收缩效应虽然有利于渗透率的增加,但对渗透率的贡献远小于煤体的蠕变变形;钻孔由于蠕变变形会产生缩孔现象,很容易堵塞抽采通道,此时即使渗透率大幅度的提高,也很难保证抽采效果,因此迫切需要制定相应的防堵孔措施。

软岩巷道蠕变与湿度应力场耦合研究

通过对龙口北皂矿H2101海域工作面矿区煤层底板矿物成分分析、岩样的膨胀性试验以及对巷道底板含水状态和围岩蠕变的实测,得到有关软岩巷道的围岩岩性参数和实际蠕变规律。运用湿度应力场理论的数学模型方法对软岩巷道的遇水软化和膨胀特性进行了分析,根据湿度应力场理论推导出膨胀软岩本构方程,在实际软岩巷道围岩稳定性控制中得到了应用。

煤岩渗流—蠕变耦合作用下声发射试验研究

为研究煤岩在渗流—蠕变耦合作用下的声发射及损伤特性,进行了4组不同渗透水压和围压的蠕变声发射测试实验。研究结果表明:累计渗流量曲线对应于蠕变应变曲线,可分为初始、稳态、加速3个阶段;受渗流和蠕变作用的相互影响,在相同围压下,渗透压越大,煤岩的瞬时应变量越大,蠕变速率越高,渗流量越大,声发射越活跃;在相同渗透压下,围压越大,煤岩的瞬时应变量越小,蠕变速率越低,渗流量越小,声发射活跃程度降低;声发射在渗流—蠕变全过程中,整体呈U型变化特征,在体积压缩向体积扩容转变期,声发射异常活跃,表明煤岩此时处于内部结构的调整和损伤状态的转变期;基于Weibull分布函数的损伤表明,各围压下煤岩均存在一个损伤阈值,当损伤超过此值时,煤岩进入加速蠕变变形阶段,且损伤阈值有随围压升高而增大的趋势。

煤岩体蠕变-渗流耦合数值模拟

针对煤岩体具有流变性,蠕变是流变的主要形式问题,遇水后煤岩力学性质发生显著变化,造成煤岩体的变形和失稳,导致重大工程事故的发生。基于等效连续介质模型和流变学的理论,建立煤岩体流变场与渗流场耦合作用下的流变模型,推导相应的直接耦合总体控制方程,并应用于解决煤岩体层状边坡长期稳定性;基于FEPG软件平台,编制蠕变破裂-渗流耦合模块,分析煤岩体层状边坡各设定监测点随时间演化应力变化规律,以及其监测点水压随时间的变化,位移的变化规律,并对模型监测点在蠕变破裂和蠕变破裂-渗流耦合两种情况下的水压变化进行了对比分析,为煤岩工程的长期稳定性提供理论方法和实际预测依据。

高速公路软土路基固结～蠕变耦合效应有限元分析

考虑Plaxis有限元软件在模拟软土路基等考虑渗流、固结方面问题的优越性,利用软土蠕变SSC模型与改进后的Burgers模型思路相似性,选取SSC模型来反映软土固结蠕变特性,在数值计算时,利用设置时间步长的方式,来反映分步施工阶段的施工、固结过程,并计算路基在施工阶段沉降量变化及超静孔隙水压力的消散过程,进而归纳总结研究区软土路基固结～蠕变耦合效应特性。

黄土地区高边坡锚索预应力损失与土体蠕变耦合模型研究

预应力锚索锚固技术由于能有效控制边坡变形而得到广泛应用,但同时也出现大量因锚固力损失而造成工程失效的问题.建立以M-2K模型为基础,适用于黄土的锚索与边坡蠕变耦合的M-B-B模型,并推导其相应的本构方程、松弛方程和蠕变方程,从理论上解决了锚固力变化与坡体蠕变之间的关系问题.以兰州市城关区某不稳定斜坡治理工程为例,采用遗传算法反算出模型土体蠕变参数,与已有M-K-B模型拟合情况进行对比.结果表明:M-B-B模型更适用于黄土地区的高边坡,可以用来长期预测预应力变化;由于该工程部分为填土,填土部分水平变形较大,使得在预应力损失稳定阶段之前存在预应力缓慢上升阶段,而M-B-B模型则能完美契合该变化;其研究成果可供锚固工程的设计、施工和安全运行参考.

基于滑坡土体渗流与蠕变耦合模型的ABAQUS二次开发

三峡库区滑坡的变形失稳过程不仅与库水变动产生的渗流场变化相关,还与蠕变效应关系密切,而常规流固耦合模型未考虑蠕变效应。对此,通过Laplace逆变换求得蠕变模型的松弛模量解析解,考虑蠕变效应且基于ABAQUS的流固耦合模型二次开发,即在常规流固耦合模型基础上将弹性模量替换成蠕变松弛模量。分别用二次开发程序和常规流固耦合方法对三峡库区典型滑坡土体的渗流与蠕变耦合试验进行模拟,结果表明,二次开发程序所求最终位移大于常规方法所求值,其值更接近于试验值,更符合滑坡土体流固耦合真实情况。

多管火箭武器箱式复合材料定向器长期堆码贮存吸湿-蠕变耦合行为预测

为研究多管火箭武器箱式复合材料定向器长期堆码贮存吸湿-蠕变耦合行为,在Schapery非线性模型中引入湿移位因子,推导考虑吸湿效应的三维正交各向异性非线性蠕变本构模型。制备E-玻璃纤维/6509环氧树脂复合材料层压板,开展吸湿试验、静态力学性能试验和短期蠕变-回复试验,获得复合材料吸湿特性参数和吸湿率、应力相关非线性蠕变参数。采用有限元方法建立湿扩散-非线性蠕变耦合数值分析模型,预测箱式复合材料定向器贮存15 a后的蠕变变形。结果表明:在一般条件军用仓库中,贮存1 a时间后水分扩散到定向器内表面,贮存8 a后定向器基本达到饱和吸湿状态;所有20根定向器的最大残余变形位置都位于第2、3定位安装环之间,并且在三维空间内近似呈马鞍状分布;上下两行中间位置定向器的残余变形最大,最大值为0.38 mm;左右两列中间位置定向器的残余变形最小,最小值为0.33 mm.