冻粘土的技术蠕变理论及在冻结法中的应用

对冻粘土试件进行了三轴应力状态下的蠕变试验。提出了冻粘土的技术蠕变理论及相应的流变本构方程，并导出了冻结壁厚度和径向位移计算公式。     

考虑强度弱化及蠕变特性确定结冻壁厚度

本文对冻粘土试件进行了三轴蠕变试验,得到了复杂应力状态下冻粘土的蠕变方程及蠕变参数的数值。根据冻土的流变理论,探讨了塑粘区的扩展规律,最后推导出了冻结壁厚度计算公式和变形速率公式。同时,又进一步探讨了防止冻结管断裂的有效途径。     

基于蠕变试验的冻结红砂岩长期强度研究

人工冻结法以其独特的优势广泛应用于西部建井工程,因此研究岩石在冻结状态下强度特性尤其重要,基于冻结红砂岩蠕变试验,分别通过过渡蠕变法、等时应力-应变法、裂纹损伤应力法、稳态蠕变速率交点法得到冻结砂岩长期强度。结果表明:(1)通过过渡蠕变法可以得到冻结砂岩长期强度的取值范围,约为三轴压缩强度的45%～65%;(2)体积应变等时曲线簇更加能够体现时间对岩石变形的关系,长期强度约为三轴压缩强度的48%;(3)稳态蠕变速率法能够较为简单的确定岩石长期强度,但因其方法本身具有一定的局限性,综合考虑三向蠕变速率,对其改进得到稳态蠕变速率交点法,可以更加精确反映砂岩强度,长期强度约为三轴压缩强度的49%;(4)引入裂纹体积应变计算方法,根据其与时间的关系得到裂纹体积应变等时曲线簇,得到的强度值与等时曲线法极其相近,因此裂纹损伤应力法也可作为确定岩石长期强度依据。将冻结红砂岩的长期强度作为监测冻结壁变形的标准,可为评价冻结壁蠕变诱发失稳破坏提供理论支撑和试验依据。     

基于蠕变试验的冻结红砂岩长期强度

人工冻结法以其独特的优势广泛应用于西部建井工程,因此研究岩石在冻结状态下强度特性尤其重要,基于冻结红砂岩蠕变试验,分别通过过渡蠕变法、等时应力-应变法、裂纹损伤应力法、稳态蠕变速率交点法得到冻结砂岩长期强度。结果表明：（1）通过过渡蠕变法可以得到冻结砂岩长期强度的取值范围,约为三轴压缩强度的45~65%左右;（2）体积应变等时曲线簇更加能够体现时间对岩石变形的关系,长期强度约为三轴压缩强度的48%左右;（3）稳态蠕变速率法能够较为简单的确定岩石长期强度,但因其方法本身具有一定的局限性,综合考虑三向蠕变速率,对其改进得到稳态蠕变速率交点法,可以更加精确反映砂岩强度,长期强度约为三轴压缩强度的49%左右;（4）引入裂纹体积应变计算方法,根据其与时间的关系得到裂纹体积应变等时曲线簇,得到的强度值与等时曲线法及其相近,因此裂纹损伤应力法也可作为确定岩石长期强度依据。将冻结红砂岩的长期强度作为监测冻结壁变形的标准,可为评价冻结壁蠕变诱发失稳破坏提供理论支撑和试验依据。     

剪应力强度和平均法向应力对冻土变形的相互影响

通过冻结砂土的三轴蠕变试验发现：冻土蠕变过程中其体积变形不为零,且剪应力强度明显影响着冻土的体积变形;冻土的蠕变变形不仅取决于剪应力强度,而且与平均法向应力密切相关,当存在平均法向应力的影响和体变不为零时,按照传统的方法直接从单轴应力状态的蠕变方程推算复杂应力状态下的蠕变参数,即使在单一曲线假定下也是不可行的。     

冻土蠕变模型在ABAQUS中的二次开发

为了使广义西原模型可以描述冻土的各个变形阶段,用非线性牛顿体替代线性牛顿体进行改进,采用类比的方法将冻土单轴应力状态下的本构方程推广到三维状态;在ABAQUS中利用二次开发平台,编写了改进广义西原模型的UMAT子程序,并在单轴、三轴蠕变条件下进行检验。单轴蠕变的数值解与解析解计算结果十分吻合,两淮地区深部冻结粘土三轴蠕变试验模拟值与实验值相符。表明改进的广义西原模型可以很好地描述冻土蠕变变形特征,包括加速蠕变阶段,UMAT子程序可以用于冻结法施工工程数值模拟。     

辽西花岗岩三轴蠕变时效性试验

为研究辽西花岗岩的工程力学性能,采用TAW-2000电液伺服岩石三轴仪,对辽西花岗岩试样分别进行了围压为5 MPa、10 MPa和20 MPa条件下的三轴蠕变实验.基于不同围压条件下的三轴蠕变试验数据,绘制辽西花岗岩的三轴蠕变曲线、等时应力应变曲线和蠕变速率曲线,分析试样的蠕变起始应力和长期强度.研究结果表明:等时应力应变与蠕变速率相结合的方法能更好地描述蠕变的发展过程、变形特征和蠕变阶段.随着围压的增加,蠕变速率的波动范围减小,加速蠕变段的发展过程更为平稳,蠕变破坏经历的时间也更长.实验数据的统计分析结果表明:试样的蠕变长期强度阈值为(0.7~0.8)(σ1-σ3).     

哈密三条湖矿副井冻结岩石物理力学特性试验

冻结岩石的力学特性是矿井冻结壁设计关键参数,通过试验研究国投哈密三条湖一矿副立井冻结岩石的物理力学特性,得到了矿井不同深度岩层冻结状态下(-5,-10,-15℃)的导热系数、比热容及冻结温度相关热物理参数和低温状态下岩石单轴抗压强度、弹性模量、单轴蠕变等参数;并对比分析了岩石低温状态下的物理力学特性,所得结果可为该地区冻结井筒冻结壁和井壁设计提供参考。     

复杂应力状态下人工冻土蠕变数值模拟

根据试验确定的人工冻土单轴蠕变数学模型及其参数，引入经典弹塑性力学理论，将空间域和时间域进行离散化，提出了以时间增量法为基础的复杂应力状态下人工冻土蠕变有限元数值模拟计算公式，依照此计算方法运用ANSYS程序对陈四楼煤矿主井-304米水平冻结壁蠕变位移进行模拟计算，结果表明，数值模拟方法可以揭示冻土壁变形规律并检验蠕变本构关系的正确性，为今后人工冻土蠕变计算提供了一种实用方法。     

冻结红层软岩的蠕变特性研究

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性,对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。     

冻粘土三轴流变特性的神经网络预测

针对冻粘土特殊的物理力学性质，通过详细的冻粘土三轴应力条件下长期蠕变实验，讨论了温度，轴压，围压三种因素对冻粘土蠕变特性的影响，并利用人工神经网络（ANN）方法对冻粘土三轴流变特性进行了预测，建立了BP网络模型，预测结果与实验值吻合，因而具有一定的理论和实用价值。     

有限变形理论的深厚冲积层冻结壁变形特性分析

冻结壁的变形及其影响因素是冻结凿井工程,特别是深厚冲积层冻结法凿井工程中急需研究解决的技术课题。基于有限变形理论,利用冻土有限变形本构关系及其蠕变参数,对深厚冲积层(超过400m)冻结壁进行了有限元分析,表明冻结壁井帮径向位移在段高内的分布是不均匀的,一般是上下小、中间大,并且冻结壁内部径向位移比井帮径向位移小;得出了冻结壁井帮的最大径向位移与冻结壁厚度、冲积层厚度、开挖段高、开挖段井帮暴露时间和井筒开挖半径关系表达式,并得到了现场实测验证。     

冻土蠕变过程的损伤力学模型

参考在金属蠕变过程研究中所发展的损伤力学模型,建立了一般应力状态下,微裂隙的形成和发展影响冻土蠕变过程力学行为的损伤力学模型,从该模型得到了冻土破坏时间依赖于应力的具体函数关系.计算结果与实测数据的对比表明,该模型准确地反映了冻土蠕变过程中变形随时间发展的趋势,对破坏时间的预测也基本与实测结果一致.     

蠕变地层套管外载计算的位移反分析法

套管外载计算是蠕变地层套管受力分析的难题，由于套管周围应力场比较复杂和地下环境多样，难以直接求解。根据弹性力学理论，建立了套管在地层蠕变引起的椭圆形非均匀外载下的力学模型，并应用逆解法对该力学模型进行求解，得到了在非均匀外载下套管的应力和位移计算式。基于套管内壁变形的实测资料，利用阻尼最小二乘法建立了套管外载反分析模型，提出了确定套管外载的反分析方法，讨论了反分析法的应用。实例分析表明，载荷反求值与真实值吻合较好，拟合精度较高，说明这种方法具有较好的实用价值。     

饱水与干燥状态下横观各向同性板岩蠕变特性

为研究水对横观各向同性板岩蠕变特性的影响,采用RYL-600微机控制岩石流变仪,以分级增量加载方式对饱水与干燥状态下具有横观各向同性特性的板岩进行蠕变试验.试验结果表明:饱水板岩试样和干燥板岩试样在蠕变试验中均出现瞬时弹性变形阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段及短暂的加速蠕变阶段.在相同加载条件下,饱水板岩试样的瞬时弹性模量小于干燥板岩试样的瞬时弹性模量.低应力状态下,饱水及干燥试样的蠕变速率都稳定,且相差不大;在高应力状态下,两种情况的蠕变速率都随载荷的增加而快速增长,且相差较大.饱水试样的破坏应力小于干燥试样的破坏应力,且随着层理角的增加都呈U形分布.     

冻结黏土分数阶损伤蠕变模型参数确定及验证

为表达介于理想固体和理想流体之间的人工冻土蠕变特性,常用弹簧元件、黏壶元件与滑块元件间的复杂组合来实现。基于分数阶导数理论则可用较简单的模型来表达人工冻土蠕变性质。分析山西某矿井井筒检查孔黏土不同冻结温度下的单轴抗压、蠕变试验曲线,得到温度对冻结黏土单轴抗压应力应变及蠕变特性的影响规律。在Singh-Mitchell模型的基础上,引入分数阶导数理论,建立受冻结温度、加载等级影响的分数阶冻土蠕变模型。通过分析蠕变与时间取对数的拟合曲线发现两者具有线性关系,进而得出与温度有关的模型参数。鉴于建立的分数阶冻土蠕变模型不能反映冻土蠕变加速阶段,将损伤因子引入建立的分数阶蠕变模型,建立人工冻土分数阶损伤蠕变模型。对比分析分数阶蠕变模型计算值与试验值,表明该模型能够很好地反映人工冻结黏土在稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段变形发展特点。建立的S-M分数阶蠕变模型参数少、易于确定且有一定的物理意义,便于工程应用。     

PVC非线性粘弹性行为的研究

.研究了室温下聚氯乙烯(PVC)的应变率敏感性和短期蠕变行为,应用时间-温度-应力等效原理,可以将不同应力水平下的蠕变曲线移位成某一参考应力水平下的主曲线,从而可以通过较高应力水平下的短期蠕变行为来预测较低应力水平下的较长期的蠕变行为.着重分析了聚氯乙烯(PVC)非线性蠕变行为的时间-应力等效性.