人工冻土粘弹塑性蠕变本构理论及冻结壁力学特性研究

摘要

随着地下矿产资源开采的不断加深，城市地下空间综合利用开发的不断扩大，人工冻结法在地下工程中得到越来越广泛的应用。冻结壁作为井筒开挖过程中的临时支护，经常会由于冻土的流变性而产生较大的变形，最终导致冻结管断裂、井壁破损，给井筒施工带来很多问题。因此，研究冻土的流变特性及冻结壁的力学特性对冻结工程及井筒开挖具有重要意义。
　　本文采用理论研究和数值模拟相结合的方法研究人工冻土的蠕变特点及冻结壁的力学特性。采用元件模型的流变理论建立了人工冻土的粘弹塑性蠕变本构模型，基于双剪统一强度理论，考虑冻土的蠕变性、冻结壁的卸载作用及冻结壁的非均匀性研究了冻结壁的力学性能，利用有限元软件ANSYS分析了开挖过程中冻结壁的变形特性。本文的主要研究内容及结论如下：
　　(1)考虑围压对冻土强度的影响，建立了人工冻土的统一强度准则；以西原模型为基础，采用非牛顿粘壶代替牛顿粘壶，非线性牛顿体代替线性牛顿体，双剪统一强度理论代替圣维南体，根据元件模型的流变理论建立了冻土的粘弹塑性蠕变本构方程。该本构方程考虑了冻土蠕变的非线性，可描述冻土蠕变的全过程，且所得结果可适用于不同类型的冻土材料。
　　(2)考虑冻土的蠕变性及中间主应力的影响，建立了冻结壁的粘弹塑性应力场和位移场；采用有限元软件ANSYS对开挖过程中冻结壁进行数值模拟，比较考虑蠕变与不考虑蠕变时冻结壁的变形特点。研究结果表明，考虑冻土的蠕变性使冻结壁的变形随时间增大，冻结壁的蠕变变形不可忽略；冻结壁的粘弹性极限荷载随强度理论参数的增大而增大；冻结壁井帮的径向位移沿开挖段高呈抛物线分布，中部偏上位移最大；较不考虑蠕变时，冻结壁井帮的径向位移相对较大。
　　(3)考虑冻结壁的卸载作用及中间主应力的影响，采用卸载状态下冻结壁-周围土体共同作用的冻结壁力学模型，推导得到冻结壁弹塑性应力场和位移场、弹塑性极限荷载及外载的统一解，分析了强度理论参数的影响规律。研究结果表明，考虑冻结壁的卸载作用，使冻结壁的外载较传统方法相对较小，冻结壁的应力场和位移场也相对较小；弹性极限外载和塑性极限外载均随强度理论参数的增大而增大。
　　(4)考虑冻土材料的FGM(Functionally Graded Material)特性及中间主应力的影响，推导得到冻结壁的弹塑性应力场及弹塑性极限荷载的解析解，讨论了强度理论参数的影响规律。研究结果表明，考虑冻土的FGM特性，使冻结壁的应力分布更均匀；弹性极限荷载较均质冻结壁相对较大，塑性极限荷载相对较小；弹性极限外载和塑性极限外载均随强度理论参数的增大而增大。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究中存在的主要问题

1.4本文主要研究内容及创新点

第二章 人工冻土的统一强度准则

2.1引言

2.2双剪统一强度理论

2.3人工冻土的统一强度准则

2.4结果验证及参数分析

2.5本章小结

第三章 人工冻土的粘弹塑性蠕变本构模型研究

3.1引言

3.2冻土的流变特性

3.3蠕变模型理论

3.4冻土粘弹塑性蠕变本构模型

3.5试验数据拟合

3.6本章小结

第四章 考虑流变性冻结壁的粘弹塑性理论研究

4.1引言

4.2冻结壁粘弹塑性分析

4.3工程算例分析

4.4 影响因素分析

4.5本章小结

第五章 卸载状态下冻结壁弹塑性理论研究

5.1引言

5.2冻结壁-周围土体共同作用的冻结壁力学模型

5.3 卸载状态下冻结壁外载的计算

5.4 算例验证

5.5 卸载状态与外荷载直接作用冻结壁的比较及参数分析

5.6 本章小结

第六章 抛物线型FGM冻结壁弹塑性理论研究

6.1引言

6.2功能梯度材料

6.3冻结壁弹塑性分析

6.4 FGM冻结壁与均质冻结壁的比较及参数分析

6.5 本章小结

第七章 开挖过程中冻结壁变形的数值模拟研究

7.1引言

7.2有限元软件ANSYS简介及蠕变分析方法

7.3冻结壁有限元计算模型的建立

7.4计算结果分析

7.5本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢