硅藻泥岩力学性能分析及分数阶导数蠕变模型研究

摘要

硅藻泥岩的力学性质是软弱硅藻土土层特性研究中的重要课题，本文通过相应的技术手段，对硅藻泥岩从物质组成、宏微观结构、物理性能、强度特征、力学与冻土力学特性等方面进行系统研究，研究其物理力学性质和变形规律，从而加强对这种特殊的区域性岩土的认识。
　　利用X射线光学显微镜通过重建数据图像，提取了样品的整体扫描图与三个不同方向的二维切片信息。通过分析立方体单元的二维截面灰度图，统计出了所提取矿物颗粒体积的百分比。通过对岩心孔隙特征进行分析，获得了孔隙率、孔隙总数、最大孔隙体积、平均孔隙体积等参数，并对不同等效直径的孔隙进行了筛分。最后通过对样品面孔隙率分析统计，获得了连通孔隙与非连通孔隙的体积分数，还对连通孔隙的渗流过程进行了模拟。
　　通过对硅藻泥岩在不同围压下条件下进行试验，并利用Excel非线性规划求解，求出了抗剪强度指标，绘制出摩尔破坏应力圆与强度包线，并与实际结果进行了比对，通过人工绘图计算与用线性规划求解方法计算结果误差，发现粘聚力绝对误差在0.2～0.4kPa，内摩擦角绝对误差在0.2～0.5°。
　　在低温下硅藻泥岩的研究方面，分别研究了抗压强度和弹性模量与温度的变化关系，并采用FLAC3D软件对冻结硅藻泥岩的单轴压缩过程进行了模拟。并通过分析硅藻泥岩的蠕变曲线，发现模拟退火算法的分数阶导数西原模型可以较好的模拟冻结硅藻土土层的蠕变全过程，可为实际工程提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 概况

1．2 课题研究意义

1．3 国内外研究动态

1．3．1 硅藻土实验特性研究进展

1．3．2 人工冻土力学特性及其本构关系研究现状

1．4 本文主要研究工作

1．4．1 研究内容及方法

1．4．2 技术路线

2 X射线CT扫描技术建立三维数字岩心

2．1 X射线三维显微镜仪器简介

2．2 成像原理

2．2．1 几何投影放大原理

2．2．2 二级光学放大原理

2．3 X射线CT扫描的基本步骤

2．4 三维数字岩心结果及分析

2．4．1 岩心扫描及单元提取

2．4．2 岩心孔隙特征及分析

2．5 CT扫描构建数字岩心的优缺点

2．6 本章小结

3 硅藻泥岩三轴剪切试验研究

3．1 试验仪器简介

3．1．1 电液伺服式岩石三轴试验机

3．1．2 试验机系统

3．2 试验前的准备工作

3．2．1 试样制备

3．2．2 试验前的检查和准备

3．3 试验方案及计算公式

3．3．1 试验方案设计

3．3．2 计算公式

3．4 硅藻泥岩三轴剪切试验分析

3．4．2 三轴剪切试验分析

3．5 影响试验结果的因素分析

3．5．1 土样扰动的影响

3．5．4 试件端部约束的影响

3．6 本章小结

4 冻结硅藻土单轴压缩试验及FLAC数值模拟

4．1 单轴抗压强度试验

4．1．1 试验仪器简介

4．1．2 试验过程

4．2 试验结果与分析

4．2．1 抗压强度与温度的关系

4．2．2 弹性模量与温度的关系

4．2．3 应力-应变关系曲线分析

4．3 FLAC3D计算原理及本构关系

4．3．1 FLAC3D计算原理

4．3．2 本构关系

4．4 计算模型及结果分析

4．5 本章小结

5 冻结硅藻土蠕变试验及分数阶导数模型

5．1．1 冻土的蠕变特性

5．1．2 相关蠕变模型

5．2 分数阶导数的定义与性质

5．2．1 分数阶导数的定义

5．2．2 分数阶导数的性质

5．3 分数阶导数西原模型

5．4 分数阶导数西原模型的拟合分析

5．4．1 单轴蠕变试验及分析

5．4．2 模拟退火的分数阶导数西原蠕变模型

5．5 本章小结

6 主要结论与后续展望

6．1 主要工作与结论

6．2 后续展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果