深部冻结黏土蠕变损伤耦合本构模型及应用研究

1 概述

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩土蠕变损伤国内外研究现状

1.2.2 人工冻土蠕变损伤国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 研究目标

2 深部黏土物理力学性质试验研究

2.1 试样来源

2.2 常规土工参数试验

2.3 深部土层热物理参数试验

2.4 深部黏土三轴应力路径试验

2.5 本章小结

3 应力路径下人工冻土三轴试验研究

3.1 人工冻土三轴试验系统

3.1.1 人工冻土三轴试验系统组成

3.1.2 人工冻土三轴试验系统功能

3.2 应力路径下人工冻土三轴剪切试验

3.2.1 试验方法与步骤

3.2.2 冻土三轴剪切应力路径试验

3.2.3 试验结果分析

3.3 人工冻土三轴应力路径蠕变试验

3.3.1 试验方法与步骤

3.3.2 应力路径下冻土三轴蠕变试验

3.3.3 三轴蠕变试验结果分析

3.4 卸载应力路径下冻土强度特性

3.5 本章小结

4 人工冻土蠕变损伤耦合本构模型研究

4.1 概述

4.2 改进的Zienkiewicz-Pande人工冻土抛物线型屈服准则

4.2.1 Mohr-Coulomb直线型人工冻土屈服函数

4.2.2 改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型人工冻土屈服函数

4.3 人工冻土蠕变损伤耦合本构模型

4.3.1 蠕变损伤耦合本构模型

4.3.2 人工冻土非线性黏弹性单元柔度矩阵

4.3.3 人工冻土非线性黏塑性单元柔度矩阵

4.3.4 人工冻土蠕变损伤耦合单元柔度矩阵

4.4 人工冻土黏弹性损伤耦合问题有限元方法

4.5 人工冻土蠕变损伤耦合本构模型在有限元程序中的实现

4.6 人工冻土本构模型参数确定及验证

4.6.1 人工冻土本构模型参数确定

4.6.2 人工冻土本构模型三轴试验验证

4.7 本章小结

5 基于黏弹塑损伤理论的冻结壁理论解

5.1 深井冻结壁计算模型

5.2 冻结壁损伤区应力场

5.3 深井冻结壁黏塑区应力场和位移场

5.4 深井冻结壁黏弹性区应力场和位移场

5.5 本章小结

6 深立井冻结法凿井过程数值模拟

6.1 ADINA非线性有限元软件

6.2 深井冻结法凿井实测研究

6.2.1 工程概况

6.2.2 现场实测方案

6.2.3 测试结果及分析

6.3 深井冻结温度场数值模拟

6.3.1 冻结管偏斜建模方法

6.3.2 冻结温度场数值模拟结果及分析

6.4 深井冻结法凿井开挖过程数值模拟

6.4.1 建立空间冻结壁有限元计算模型

6.4.2 数值模拟结果及分析

6.5 本章小结

7 主要结论与创新点

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 开展进一步工作的设想

参考文献

附录 人工冻土本构模型部分子程序

《深部冻结黏土蠕变损伤耦合本构模型及应用研究》基于卸载应力路径和有限元数值计算方法研究了深部冻结黏土蠕变和损伤变形特征，并获得了人工冻土在卸载应力路径下的黏弹塑损伤耦合本构模型；提出深井冻结壁分为损伤区、黏塑区和黏弹性区的分区理论，并推导获得各个区域冻结壁的应力场和位移场理论计算公式；对深部冻结黏土冻融温度场、冻结壁内部应力和工作面位移进行现场实测，并获得了随时间发展的变化规律。研究内容为冻结法凿井设计与施工提供指导意义。《深部冻结黏土蠕变损伤耦合本构模型及应用研究》可供岩土工程、地下结构、隧道与地铁工程和冻土工程领域从事科研、设计、施工及管理人员参考使用，也可以为作为土木工程、力学和矿业工程领域相关研究生和教师的参考资料。

《深部冻结黏土蠕变损伤耦合本构模型及应用研究》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：偏应力不大时人工冻土应力-应变呈线性关系，偏应力水平较大时应力-应变呈明显的非线性关系，表明人工冻黏土为塑性岩土材料；高围压卸载人工冻土满足改进的ZienkiewiczPande抛物线型屈服准则，低围压卸载应力下人工冻土剪切屈服面可以选择Mohr-Couloreb屈服函数。