基于湿度场理论的岩石膨胀本构模型研究

针对现有膨胀本构模型的局限性,基于湿度场理论和膨胀性试验,分析侧限自由膨胀和有荷膨胀的膨胀率,推导的本构模型具有理论基础,其中的参数变量具有物理意义。研究结果表明:膨胀本构模型中应变与应力的对数和应力的线性组合呈负相关的函数关系,当轴向应力较小时近似采用对数函数拟合,轴向应力较大时近似采用线性函数拟合;膨胀岩的吸水率与轴向应力呈负对数函数关系;拟合的本构模型中相关系数达0.97,说明此本构模型对相关数据拟合具有较好的一致性,研究结果可为三维膨胀理论提供指导。

红砂岩膨胀本构模型试验研究

以株洲红砂岩为研究对象,运用土壤高压固结仪,进行了红砂岩侧向约束不同轴向荷载下的膨胀率试验,得到了逐级加、卸载下红砂岩膨胀率与时间的关系,研究了红砂岩的膨胀率与五级荷载之间的关系,进而拟合得到了膨胀率与时间的关系式及一维膨胀本构模型,推导了三维膨胀本构模型,并对它们的有效性和优越性进行了验证和对比。结果表明,该模型比现有模型的精度更高、适用范围更广。

时间效应下泥岩浸水膨胀本构模型研究

基于流变力学理论对时间效应下的泥岩浸水膨胀进行研究,利用流变力学理论推导得到时间效应下的膨胀本构模型,以侧限条件下的泥岩自由膨胀试验为基础对模型进行验证,并给出模型中各参数的物理意义。研究结果表明:泥岩浸水初始阶段膨胀速率快,随着时间的推移速率变慢,最终膨胀稳定;泥岩浸水膨胀产生的最终应变由膨胀力和渐进膨胀弹性模量决定;时间效应下膨胀模型能够较好地描述和预测泥岩浸水膨胀时间规律;引入时间效应下膨胀模型能将Einstein的三维静态稳定本构关系推广为非稳定动态三维本构关系。

基于相对湿度场和变模量本构的岩土膨胀分析模型

随着含水率(湿度)的增加,红层黏土(岩)会表现出体积膨胀和吸水软化的双重特征,这是诱发红层滑坡和路基隆起等地质灾害的主要原因。为研究含水率对受荷岩土体变形的影响,本文在湿度应力理论的基础上,对含水率归一化处理,提出基于相对湿度的变模量本构,建立岩土膨胀分析模型;以固结黏土和红层黏土岩为研究对象,开展膨胀和吸水软化试验。结果表明:膨胀试验中,黏土岩和固结土的侧限膨胀率分别为0.345和0.205,膨胀应力分别为225.0和112.5 kPa,黏土岩具有更强的膨胀能力;固结土吸水效率更高,能够更快地达到膨胀平衡状态。软化试验中,干燥状态下黏土岩的压缩模量较大,但吸水过程中模量的衰减也较快,饱和状态下固结土与黏土岩的压缩模量基本相同。基于试验数据,对本文模型的稳态参数进行反演,并基于已标定的分析模型对侧限膨胀试验进行模拟,一方面,验证本文方法在稳态分析时的适用性;另一方面,给出了相对湿度场平均扩散率K的标定方法。以圆形洞室遇水问题为算例,进行了稳态理论计算和瞬态数值计算,以说明本文模型在应用于岩土膨胀大变形分析时的优越性。本文分析模型参数易获得,数值模拟结果准确性高,可为红层膨胀岩和膨胀土地区工程建设提供理论指导。