深部凍土的廣義黏彈塑性損傷本構模型及其套用研究

《深部凍土的廣義黏彈塑性損傷本構模型及其套用研究》是依託中國礦業大學，由楊玉貴擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：深部凍土的廣義黏彈塑性損傷本構模型及其套用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊玉貴
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

隨著煤炭資源開採不斷向深部發展，凍結法鑿井穿越表土層厚度不斷加大，傳統凍土力學理論已不適用於深層凍結壁穩定性評價。為揭示深厚表土凍結壁變形破壞的力學機制，發展和完善深部凍土力學基礎理論，本項目擬採用宏、細微觀相結合的方法，研究開挖卸荷作用下深部凍土的黏彈塑性損傷本構模型及其工程套用。具體內容包括：開展卸載過程及卸載後蠕變階段深部凍土的細觀損傷CT實時試驗，定量研究深部凍土細微觀損傷演化與巨觀力學行為之間的聯繫, 建立符合實際的損傷演化方程；研究深部凍土的卸載屈服特徵與黏塑性流動軌跡，基於損傷能量等效性假設，構建卸荷條件下凍土的廣義黏彈塑性損傷本構關係；採用應力空間變換的方法將本構關係拓展到複雜應力狀態，建立深部凍結壁穩定性分析力學模型。通過開展本研究，對於揭示深部凍結壁的變形破壞機理具有重要意義，並為凍結壁的最佳化設計與支護方式的改進提供理論依據。

結題摘要

隨著煤炭資源開採不斷向深部發展，凍結法鑿井穿越表土層厚度不斷加大，傳統凍土力學理論已不適用於深層凍結壁穩定性評價。為揭示深厚表土凍結壁變形破壞的力學機制，發展和完善深部凍土力學基礎理論，本項目採用了宏、細微觀相結合的方法，開展了有關凍土的強度與本構模型方面的研究工作，進行了低溫三軸靜力試驗與流變試驗，研究了凍土的強度、彈塑性變形、流變及損傷演化等力學特徵，並開展了凍結壁數值模擬最佳化分析，取得了以下結論： （1）在低圍壓下，凍土的應力應變曲線表現為應變軟化型，與此對應的體積變形則總是隨著軸向應變的增加先縮後脹；而對於高圍壓下凍土的應力應變曲線表現為應變硬化型，與此對應的體積變形則為壓縮型，即體積隨軸向應變的增加只是減小，不出現體脹現象。 （2）凍土的強度先是隨著圍壓的增大而增大，而當圍壓增大到一定值，凍土的強度隨圍壓的進一步增大而減小。為了描述高圍壓作用下凍土強度隨著圍壓增大而呈現非線性減小的特徵，建立了凍土的非線性強度準則。 （3）採用考慮受靜水壓力影響的偏平面上的破壞形狀函式，構建了複雜應力狀態下凍土的強度準則，並給出了該強度準則的應力空間破壞曲面。 （4）構建了凍土的廣義力學本構關係。體積屈服面採用橢圓的形式，以塑性體積應變為硬化參數；剪下屈服面選用拋物線的形式，以塑性剪應變為硬化參數；引入以塑性體積應變為硬化參數能夠反映凍土剪脹性質的拋物線剪脹屈服面。 （5）研究了凍土的巨觀變形與微觀損傷演化之間的聯繫。通過對凍土進行CT掃描試驗，研究了凍土的應力應變關係及內部結構的損傷演化過程，探討了溫度對凍土的巨觀力學性能及微觀損傷演化過程的影響。 （6）開展了凍土的流變力學特徵。結合損傷力學理論，從凍土內部存在裂隙、空洞等缺陷特徵出發，建立了凍土的粘彈塑性損傷本構模型。 （7）建立了深部鑿井凍結壁穩定性分析數值計算模型，研究了採用不同凍結壁厚度下凍結壁開挖卸荷凍結壁的變形特徵、應力分布等。