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深部冻结黏土蠕变损伤耦合本构模型及应用研究

李栋伟  
【摘要】:采用固结、低温冻结和径向卸载的三轴剪切试验方法,模拟深部人工冻黏土冻结井筒开挖卸荷力学过程。通过试验获得:当偏应力不大时人工冻土应力-应变呈直线,当偏应力水平较高时应力-应变呈明显的非线性,表明人工冻黏土为塑性岩土材料;高围压卸载应力路径下冻黏土满足改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则,低围压下人工冻黏土剪切屈服面可以选Mohr-Coulomb屈服函数。 人工冻黏土三轴卸载蠕变试验结果表明:当偏应力水平较低时只发生第1和第Ⅱ阶段的蠕变变形,且蠕变变形占总变形量的70%以上;当偏应力水平高于某一临界值时出现蠕变第Ⅲ阶段,冻土发生较大的塑性流动,一般历时3-5小时试件破坏,且蠕变变形量占总变形量的80%以上;且发生第Ⅲ阶段临界应力值可以用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则来描述。 基于人工冻土三轴蠕变和剪切试验结果,应用黏弹塑性力学、热力学和岩土损伤力学原理,推导获得人工冻黏土黏塑性损伤变量及损伤演化规律,采用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则替代线性牛顿体,获得了卸载应力路径下的人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型,并推导出用于数值计算黏弹性和黏塑性损伤耦合柔度矩阵。在Compaq Visual Fortran6.6A环境下编写了人工冻土蠕变损伤耦合本构有限元程序;通过用户子程序方法嵌入到非线性有限元软件ADINA中。数值模拟和室内试验规律完全一致,且误差最大不超过4.8%,表明用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线屈服面屈服准则构造的非线性牛顿体表示的黏弹塑损伤耦合本构模型来描述人工冻土蠕变本构是合理的。 卸载应力路径下的人工冻土蠕变包括瞬时应变分量、黏弹性应变分量和黏塑性应变分量3部分之和,从而将冻结壁分为损伤区域、黏塑性区域和黏弹性区域3个区域。假定冻结壁损伤区域满足Mohr-Coulomb屈服准则,黏弹塑性冻结壁采用Laplace变换原理从理论求解深井冻结壁应力场和位移场。现场实测冻结壁工作面位移和计算值变化规律吻合较好,表明深井冻结壁设计计算采用黏弹塑损伤本构模型理论是可行的。 对深厚冲积层冻结法凿井过程中的温度场、井壁内力和井筒开挖过程的位移场进行现场实测,并获得了相应的变化规律。根据工程条件确定冻结壁空间温度场,采用本文提出的本构模型,同时考虑冻结井筒开挖动态施工力学过程,利用ADINA非线性有限元软件进行深井冻结壁温度场、应力场和位移场耦合分析,得到冻结井筒开挖过程中工作面位移和应力分布规律,并且和实测值规律一致。 基于统计损伤理论的人工冻土蠕变本构模型,克服了元件模型只能描述线性蠕变特性的缺陷,且本构模型通过简单试验获取计算参数,模型具有参数少,易于确定等优点。本构方程的建立为进一步研究现场的冻土结构物力学行为提供了有效研究途径,对冻土结构物长期稳定性分析与预测具有重大理论意义。 图[62]表[15]参[108]


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