人工冻结砂岩力学特性及本构关系研究

论文摘要

人工冻结砂岩的力学性质是一项重要研究课题。本文通过试验与理论推导相结合的手段,对某矿井的原状砂岩力学特性进行研究,从而给施工技术的设计与实施提供一定的理论依据。利用冻土试验机对试样进行冻结温度分别为-8℃、-12℃和-15℃下的单轴抗压强度试验,得到不同冻结温度下的应力应变曲线并分析试验结果,冻结砂岩单轴抗压强度总体随温度降低而提高,但不同低温条件下的冻结砂岩的应力应变曲线和单轴抗压强度变化趋势不尽相同。冻结砂岩极限抗压强度随温度降低而提高的趋势主要体现在-8℃-12℃之间,-12℃～-15℃之间温度对强度的影响次之,弹性模量总体随温度降低而不断增大,但不成线性增长,受岩样离散性影响,温度降低相同幅度,弹性模量的增长幅度不同。但是降低温度对岩土弹性模量增长有限。引入复合幂指数非线性本构模型,基于复合幂指数非线性理论进行曲线拟合,得出不同冻结温度下模型的参数方程。考虑温度因素的影响,改进复合幂指数非线性模型,提出一个与冻结温度有关的新型复合幂指数应力应变模型,将理论曲线与试验结果进行对比,发现拟合情况较好,显示了所建模型的合理性。对原状冻结试样进行-8℃、-12℃、-15℃下的蠕变试验,试验过程的加载系数分别为0.3σs、0.5σs、0.7σs,其中σs为冻结砂岩的单轴抗压强度,低等级加载条件下的试验时间为8小时左右,高等级加载条件的试验以试样破坏结束,试验结束后绘制时间应变曲线。分析蠕变曲线得到等时应力应变曲线,表明不同加载条件下的蠕变均为非线性。基于分数阶导数西原本构理论,采用计算机求解软件,对蠕变曲线进行计算拟合,并求出模型参数解,拟和效果较好,相关系数系数均在0.9以上,表明分数阶导数西原模型可以很好的描述冻结砂岩的蠕变曲线。图[86]表[13]参[80]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 国内外研究现状
•     1.1.1 冻土研究现状
•     1.1.2 冻土本构模型的研究
•   1.2 研究内容及技术路线
• 2 人工冻结砂岩单轴抗压试验
•   2.1 试验内容
•   2.2 试验设备简介
•   2.3 试验前的准备工作
•     2.3.1 试样的制备与养护
•     2.3.2 试验前的检查和准备
•   2.4 人工冻结砂岩单轴抗压试验
•     2.4.1 试验内容
•     2.4.2 试验过程
•     2.4.3 试验结果与分析
•     2.4.4 弹性模量与冻结温度的关系
•   2.5 影响试验结果的因素分析
•     2.5.1 土样扰动的影响
•     2.5.2 试样制备的影响
•   2.6 本章小结
• 3 冻结砂岩应力应变复合幂指数模型
•   3.1 复合幂指数非线性模型
•     3.1.1 复合幂指数模型的提出
•     3.1.2 复合幂指数模型
•   3.2 复合幂指数模型求解
•   3.3 考虑温度效应下的复合幂指数应力应变模型
•     3.3.1 与温度有关的复合幂指数模型
•     3.3.2 模型求解
•   3.4 本章小结
• 4 冻结砂岩统计损伤本构模型
•   4.1 冻土的损伤特性
•   4.2 基于复合幂指数非线性理论下的损伤本构模型
•     4.2.1 统计损伤本构模型的建立
•     4.2.2 基于Weibull分布的冻土统计损伤变量
•     4.2.3 损伤本构模型参数求解
•   4.3 本章小结
• 5 人工冻结砂岩蠕变试验及蠕变特性分析
•   5.1 试验方案
•   5.2 不同温度下人工冻结砂岩蠕变曲线分析
•   5.3 等时应力应变曲线分析
•   5.4 本章小结
• 6 人工冻结砂岩分数阶导数西原蠕变模型
•   6.1 冻土的蠕变特性及相关模型
•   6.2 分数阶导数理论
•     6.2.1 分数阶导数的定义
•     6.2.2 分数阶导数的性质
•   6.3 分数阶导数西原模型
•   6.4 分数阶导数西原模型的拟合计算
•   6.5 本章小结
• 7 主要结论与展望
•   7.1 主要工作与结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 后记或致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨林

导师: 姚兆明

关键词: 人工冻结砂岩,单轴抗压试验,应力应变曲线,本构模型,蠕变

来源: 安徽理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 安徽理工大学

分类号: TU45

DOI: 10.26918/d.cnki.ghngc.2019.000074

总页数: 97

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