低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验研究

为探索防治煤与瓦斯突出的有效途径,利用自主研制的含瓦斯水合固化-三轴力学压缩一体化装置,开展低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验,研究不同围压下低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变关系。结果表明:不同围压下,低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变曲线为软化型,其峰值强度随围压增加而增加;通过摩尔库伦强度准则,计算低饱和度含瓦斯水合物突出煤体黏聚力和内摩擦角。两者均低于高饱和度条件该参数数值,可见饱和度对含瓦斯水合物突出煤体强度影响较大。     

围压对含瓦斯水合物煤体应力应变关系的影响

力学性质是基于水合原理预防煤与瓦斯突出的核心问题之一。以具有突出倾向煤体制备的型煤为研究对象,利用自主研发的瓦斯水合物生成与三轴压缩一体化装置,开展了围压影响下含瓦斯水合物煤体三轴压缩实验。结果表明:三种围压下,应力-应变曲线均为软化型;不同特征点(初始屈服点、峰值点及残余阶段)含瓦斯水合物煤体的黏聚力相差较大,而内摩擦角的变化较小;含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度和变形模量随着围压的增加呈线性关系增加,围压对含瓦斯水合物煤体的力学性质有所强化。     

基于统计损伤理论的饱和土邓肯-张修正模型

为了描述饱和土变形过程,以某边坡饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。试验发现饱和土的应力-应变曲线近似为双曲线,由此选择邓肯-张模型作为基础模型,结合统计损伤理论,构建一种新的饱和土邓肯-张修正模型。通过邓肯-张模型自身特性及线性回归的方法,求解模型参数。采用所建模型对饱和土试验数据进行辨识,对比分析试验曲线和理论曲线。结果表明,所建修正模型结构简练,参数较少,能较为准确地辨识饱和土偏应力-应变曲线,具有一定的可行性和合理性。     

间断级配土石混合料力学特性试验和本构模型

为研究山区筑路填料中常见的间断级配土石混合料的力学特性,采用SZ30-40DA大型三轴试验仪对间断级配土石混合料进行三轴剪切试验,分析了不同含石量和围压对间断级配土石混合料的应力-应变关系、抗剪强度参数、刚度、孔压、内摩擦角以及黏聚力的影响,并结合邓肯-张模型和幂律模型对间断级配土石混合料的适用性进行分析。结果表明：不同含石量下土石混合料的应力-应变曲线均呈现出应变硬化特征,无应变软化特征;当含石量较低时,应力-应变呈现出一条平滑的曲线,随着含石量增加,应力-应变曲线呈现出明显的“跳跃”现象;土石混合料的抗剪强度随含石量和围压的增加而增大;不同含石量混和料在剪切过程中,粗颗粒表现出不同的破碎程度,含石量增加破碎率增大;内摩擦角随含石量的增加而增大,而黏聚力随含石量的增加而减小,含石量(质量分数,下同)为70%时,内摩擦角达到最大,黏聚力最小;刚度在前期软化现象明显,随着含石量的增加,土体表现出一定的骨架作用,抵抗变形的能力增强;孔压受轴向应变和围压影响较大,随轴向应变的增大先增大后减小,随围压的增大而增大;邓肯-张模型在应用于间断级配土石混合料时存在一定的差距,而幂律模型的拟合度较邓肯...     

基于应力应变曲线类型的邓肯张模型修正

邓肯张模型应用于钙质结核土三轴试验的分析时,发现部分应力应变曲线不能有效地被预测。文章基于本构模型所具有的特性,结合土的结构性及应力应变曲线的特性,分析本构方程参量的作用并引进能有效描述S型应力-应变曲线的参量(密实点D为切线弹性模量为最大值时对应的应力应变点)。通过推广邓肯张模型、建立和修正反正切模型,结合钙质结核土应力应变曲线类型,探究本构模型各自的实用性与适应范围。结果表明:应用于应变硬化的反正切修正模型与邓肯张修正模型,由于变量的增加,而使得对应力-应变曲线的拟合度有所增加;邓肯张修正模型适应于反映应变软化岩土的性质,但其表现岩土物理性质的形式随着参量增加而更加复杂;反正切修正模型能较为简单地体现S型应力应变曲线的性质,表达密实点D的位置。     

基于大三轴试验的土石混合体强度特性与影响因素

为更为详细地探讨山区土石混合体的力学特性,综合考虑含石量、含水量与岩石完整性等因素的影响,采用正交试验方法对土石混合体填料的大型三轴剪切试验进行设计,并运用邓肯-张模型对得到的三轴试验参数进行反演研究。结果表明:土石混合体中影响内摩擦角的因素从大到小分别为含石量、含水量、岩石完整性;试件在各围压下剪切时,开始阶段偏应力与轴向应变近似成比例关系;当轴向应变超过2%时,偏应力增长速率减小,呈现出明显的应力-应变非线性;当混合体达到最大偏应力之后,仍可以保持在增加轴向应变的同时,偏应力不减小,表明土石混合体材料的软化特性不明显;含石量对试样体应变的影响较含水量与岩石完整性更显著,在含石量较低时体现为剪缩性,含石量较高时更多体现为剪胀性;邓肯-张模型的拟合结果与大三轴试验数据的相似度较好,表明邓肯-张模型能模拟土石混合体在不同围压下的应力-应变关系。     

基于车辆地面力学沙漠沙结构性本构模型的建立

结合沙漠土壤的三轴试验资料,将岩土力学研究中描述土结构性的定量参数(应变综合结构势)引入土的强度变形特性分析. 根据该参数对同一围压下不同含水率沙的应力-应变曲线具有较好的归一化作用,用类似邓肯-张模型的处理方法构造沙漠沙结构性本构模型,并提出获得模型参数的试验方法. 试验与仿真结果表明该结构模型能较好反映不同含水率下沙漠沙的应力-应变关系.      

不同应力路径下粘土的本构关系验证

本文通过对小浪底土坝心墙粘土等应力比和变应力比的固结排水剪切试验,研究了不同应力路径下粘土的应力应变特性。结果表明,应力路径对土的应力应变关系有显著的影响,而对强度指标则影响很小;在一定的等应力比范围内,土的应力应变关系具有较好的归一性。对邓肯-张模型、修正剑桥模型和双屈服面弹塑性模型进行了验证,这些模型对应力路径的适应性各不相同。根据几种基本试验,利用插值方法推求了等应力比路径下土的应力应变关系曲线,取得了较为满意的结果。     

基于扰动状态理论的沈阳砾砂修正邓肯-张模型

目的研究沈阳地区砾砂受扰动影响的应力-应变关系,以相对密实度为媒介,推导出考虑扰动影响的修正邓肯-张模型,为实际岩土工程问题的计算提供理论依据.方法针对沈阳地区砾砂进行三轴固结排水剪切试验;并基于扰动状态理论,采用相对密实度Dr为扰动参量,提出能考虑扰动影响的统一扰动度函数,并将其引入Duncan-Chang模型中,结合三轴试验结果,提出适用于沈阳地区砾砂的修正D-C模型;最后将试验曲线与理论计算曲线进行对比分析.结果中密或密实状态砾砂,应力-应变关系呈应变软化型;峰值强度会随围压增大而增大;峰值强度也会随Dr的增大而增大.传统D-C模型中的参数K和峰值强度(σ1-σ3)f受扰动影响程度较大,而参数n和Rf在扰动过程中变化微小.结论采用笔者提出的考虑扰动影响的修正模型计算结果较传统D-C模型更接近于真实的试验结果.因此,该修正模型可更好地模拟沈阳地区粗颗粒土的强度与变形特性.     

结构性黄土的修正Duncan-Chang模型

为了实现原状湿陷性黄土结构性与其本构模型研究的统一,解决软化型应力-应变曲线的切线刚度矩阵正定性问题,通过研究原状结构性黄土在不同含水率和固结围压条件下由增湿、固结作用和剪切变形引起的结构性损伤规律,建立可以反映结构性变化的修正非线性Duncan-Chang模型.该模型考虑了增湿和加荷对土体结构的损伤破坏,把含水率作为一个重要的变量,用一族具有相同初始切线模量和不同极限强度的双曲线来求取当前应变状态处的切线模量,能够统一描述结构性黄土的应变软化和硬化型应力-应变关系曲线,形成解决原状湿陷性黄土增湿和应力耦合条件下变形及强度计算问题的新方法.     

吹填土热力固结和强度特性试验研究

揭示温度对吹填土固结和强度特性的影响,对合理评价热真空预压加固效果具有重要意义.通过自主研发的温控三轴仪,系统开展了吹填土的热力固结和强度试验研究.重点分析了不同温度下吹填土的排水体积、渗透系数、孔隙水压力和固结度的演化规律,研究了固结后吹填土在排水和不排水条件下有效应力路径和应力应变关系,提出了考虑不同温度的邓肯-张模型参数.结果表明,升温过程中,土体固结变形存在明显的三阶段特征:快速增加阶段、缓慢增加阶段和稳定阶段.排水量呈指数关系增长,渗透系数线性增长,孔隙水压力消散加快,固结度逐渐增大,吹填土排水与不排水抗剪强度均显著提高.不排水条件下CSL线斜率M值大于排水条件下M值.升温不排水条件下吹填土有效球应力p′值基本维持不变,升温排水条件下吹填土偏应力q随着球应力p线性增加.确定了不同温度条件下邓肯-张模型参数,提出升温不排水条件下,可采用邓肯-张模型来描述应力应变关系,但在升温排水条件下,可采用邓肯-张模型和线性模型综合反映应力应变关系.     

环境负温与升温温差作用下冻土强度特性试验研究

随着西部经济快速发展,冻土区工程日趋活跃,冻土灾害问题愈显突出。为了减少灾害,提高工程耐久性,必须进行冻土区地基承载力的力学特性与温度变化的关系研究。采用青海省果洛州海拔4 200 m处冻土,在室内模拟不同环境负温与升温温差的冻土常规三轴压缩试验,得到冻土在不同环境负温、不同升温温差下的应力-应变曲线以及强度-温度关系曲线。试验结果表明,低温冻土到高温冻土的破坏特征是由脆性破坏过渡到塑性破坏,其应力应变关系由广义双曲线模型变为邓肯-张模型;环境负温与升温温差的不同,使得冻土强度折减不同;设计冻土区地基承载力时,需根据当地温度和升温温差等变化特点修正冻土区地基承载力特征值。     

考虑损伤的含瓦斯煤有效应力方程

 煤层开采和瓦斯抽放引起的煤体损伤演化不仅使煤体力学性质发生改变,而且还影响煤与瓦斯的相互作用。本文基于损伤力学与多孔介质理论,并考虑煤体吸附瓦斯膨胀变形效应,建立了压缩条件下含瓦斯煤体的有效应力方程,得到了与含瓦斯煤体损伤演化相关的孔隙压有效应力系数和吸附有效应力。利用含瓦斯煤体有效应力方程和线弹性本构模型,计算分析了不同应力条件下含瓦斯煤体的变形与有效应力系数演化特征。结果表明,计算值与试验结果一致性较好,可以有效描述含瓦斯煤体的损伤力学行为。     

本构模型对黏性土侧向卸荷路径下应力应变关系适用性研究

为研究侧向卸荷应力路径对黏性土应力应变特性的影响,首先介绍了2种典型的修正邓肯张模型和三参数模型,然后分析比较了这3种模型反映侧向卸荷应力路径条件下土体应力应变特性的能力。即分别利用这3个模型模拟普通三轴侧向卸荷条件下的试验结果,得到相同条件下各种模型的应力应变特性曲线。并与试验结果进行对比发现：3种模型均能在不同程度上反映侧向卸荷应力路径对黏性土应力应变特性的影响,其中修正3的效果更明显一点,3种模型存在一定的联系,即参数值达到特定的情况时3种模型退化成为同一模型。     

含瓦斯软弱煤三轴力学特性试验

以由具有突出倾向的软弱煤制备的型煤试件为研究对象,对围压、瓦斯压力二因素对含瓦斯软弱煤的力学特性影响进行了系统研究.试验结果表明:围压对含瓦斯软弱煤的力学性质具有明显影响,随着围压的增大,含瓦斯软弱煤的压密阶段不明显且三轴强度逐渐增加;围压对含瓦斯软弱煤弹性模量影响不明显,对应力应变曲线形状影响亦不明显.随着瓦斯压力的增加,煤样强度呈减小趋势;围压较小时,含瓦斯软弱煤强度受瓦斯压力影响较显著,而围压较大时影响较小;瓦斯压力对含瓦斯软弱煤的杨氏模量影响不明显,且对煤样进入屈服阶段的变形量影响亦不明显;瓦斯压力对煤样具有显著的力学影响,而且也存在明显的化学作用;含瓦斯软弱煤的应力应变曲线可由二次曲线表征,并认为瓦斯压力影响可归结为等效围压效应.     

胶凝堆石料大三轴试验

在大三轴试验的基础上,得到不同胶凝体质量浓度、不同围压下的应力-应变曲线,通过试验数据对胶凝堆石料本构模型进行探讨,并求出了模型中的参数。研究结果表明：当胶凝体质量浓度较低时,对胶凝堆石料运用邓肯-张本构模型基本满足工程精度要求;随着胶凝体质量浓度的增加,从应力-应变曲线中发现邓肯-张本构模型已不再适用,但曲线在弹性阶段表现出明显的线性特性,线性模型的弹性模量与胶凝体质量浓度、围压有关。通过试验数据,拟合得出线性模型中相关参数之间关系的表达式。     

考虑参数简化的修正邓肯-张模型

邓肯-张非线性弹性模型被广泛应用于计算围堰修筑、土石坝等水利工程中粗粒土的应力-应变关系。然而,邓肯-张模型参数相对较多、计算结果往往不能充分体现土的剪胀特性。为解决上述缺陷,以邓肯-张模型为基础,提出了参数形式更为简化的应力-应变表达式,并基于沈珠江模型采用二次抛物线形式对应变进行描述,同时对该模型参数形式进行了改进,建立了反映土体体应变-轴向应变关系的体积比表达式。最后通过采用粗粒土和黏性土的试验结果对改进模型进行验证。结果表明：理论计算结果与试验结果吻合较好,改进的模型能够更好地反映土的体应变特征和应力-应变关系,为实际工程中土体的应力-应变关系计算提供了参考。     

岷江上游欢喜坡冰水堆积体原位大剪试验研究

岷江中上游河谷两岸广泛分布着第四纪冰水堆积体,其特征在我国西南地区大江大河的河谷地带具有很强的代表性。正是由于此类冰水堆积体具有复杂的结构特征与特殊的形成演化过程,造就了其力学强度特征与其他堆积体相比存在较大的差异。以欢喜坡冰水堆积体为研究对象,采用大剪仪对在不同土石性质不同含水率下的冰水堆积体进行现场大剪试验。试验结果表明:该冰水堆积体应力应变曲线具有明显的弹性变形和塑性变形阶段,没有明显的应力屈服特征。土石性质与含水率是影响冰水堆积体强度特性的重要因素。天然状态下,冰水堆积物的应力应变关系呈现出一定的应变硬化特征。当含水率增大时,应力应变关系出现弱应变硬化特征。孔隙比小、密实度高、含石量高的冰水堆积物强度也显著提高。通过邓肯张双曲线模型对欢喜坡冰水堆积体大剪试验获得的应力应变曲线进行拟合,拟合效果良好。     

含瓦斯煤的有效应力与力学变形破坏特性

本文在含瓦斯煤的力学变形与破坏机制理论分析和实验基础上,提出含瓦斯煤的变形与破坏受双重有效应力作用,本体应力决定煤的本体变形性质,而结构有效应力则决定煤的结构变形性质,修正了Karl Terzaghi多孔介质有效应力计算公式,揭示了等效有效孔隙压力系数在含瓦斯煤全程应力应变过程中的变化规律;分析了煤吸附瓦斯后含瓦斯煤强度降低的机理,根据含瓦斯煤变形特征,提出了控制煤与瓦斯突出的途径和方法。     

阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统”,进行固定瓦斯压力及不同围压和循环载荷情况下突出煤煤样变形渗透特性试验研究。结果表明：加载路径对煤样的力学特性影响显著,循环载荷试验和全应力应变曲线总体趋势相同,循环荷载作用下煤样的峰值应力比全应力应变的低;煤样在周期性循环荷载作用下的卸载应力应变曲线与加载应力应变曲线不相重合,形成封闭的滞回环。渗透率与煤样的损伤变形进程密切相关,在循环荷载下,渗透率在卸载过程中逐渐增大,加载过程中逐渐减小;卸载时渗透率应变曲线和加载时渗透率应变曲线会围成封闭环,与煤样的轴向应力应变封闭滞回环相对应,其所围面积随着围压和应力水平增加而减小。