深部人工凍結(jié)黏土加卸載顆粒流模擬研究.pdf

1、深厚表土層凍結(jié)法鑿井技術(shù)的核心是確保凍結(jié)壁和井壁的安全，而深部人工凍土的工程特性與凍結(jié)壁、井壁安全密切相關(guān)。在凍結(jié)壁形成和開挖過程中，深部人工凍土分別經(jīng)歷了加載和卸載過程，因此系統(tǒng)深入地認(rèn)識深部人工凍土的加卸載力學(xué)特性，對于科學(xué)合理地設(shè)計(jì)凍結(jié)壁和井壁有重要意義。深部黏土由于特殊的賦存環(huán)境，具有顯著的結(jié)構(gòu)性。深部原狀黏土經(jīng)重塑后凍結(jié)，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致深部原狀與重塑人工凍結(jié)黏土宏觀力學(xué)特性表現(xiàn)出差異性。因此有必要從微觀尺度上刻畫出深部

2、原狀與重塑人工凍結(jié)黏土的結(jié)構(gòu)，研究加卸載條件下兩種不同結(jié)構(gòu)凍結(jié)黏土的宏細(xì)觀力學(xué)特性，這將有助于從本質(zhì)上認(rèn)識深部人工凍土的力學(xué)特性，并為凍結(jié)壁和井壁設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
　　本文主要開展了以下研究工作：（1）通過對深部原狀和重塑黏土SEM圖像數(shù)字化處理，定量分析了兩者微觀結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了深部重塑和原狀人工凍結(jié)黏土的顆粒流模型。系統(tǒng)地分析了顆粒流模型中微觀參數(shù)的力學(xué)效應(yīng)，結(jié)合室內(nèi)三軸試驗(yàn)資料，引入支持向量機(jī)預(yù)報(bào)模型LibSVM對微

3、觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。（2）在不同溫度和圍壓條件下，分別對深部重塑和原狀人工凍結(jié)黏土顆粒流模型進(jìn)行了不同模式的加卸載數(shù)值仿真試驗(yàn)。分析了深部重塑和原狀人工凍結(jié)黏土的強(qiáng)度與變形規(guī)律，以及微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。（3）在室內(nèi)制備了深部重塑人工凍結(jié)黏土試樣，分別進(jìn)行了不同溫度和圍壓條件下的三軸加卸載試驗(yàn)，分析比較了數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。
　　通過上述研究，得出主要結(jié)論如下：
　?。?）根據(jù)IPP圖像處理結(jié)果，深部重塑人工凍結(jié)黏土的顆

4、粒體面積主要集中在<1002?m，顆粒體角度主要分布在50°~70°之間，孔隙率為0.25。深部原狀人工凍結(jié)黏土的顆粒體面積也主要集中在<1002?m，顆粒體角度主要分布在10°~50°之間，孔隙率為0.24。經(jīng)過微觀力學(xué)效應(yīng)分析，結(jié)合室內(nèi)三軸試驗(yàn)資料，引入支持向量機(jī)模型得到的微觀參數(shù)能夠很好地反應(yīng)深部人工凍結(jié)黏土的力學(xué)性質(zhì)。
　?。?）深部重塑人工凍結(jié)黏土在加載階段應(yīng)變隨時間的增大而增大，等側(cè)壓力系數(shù)加載階段的應(yīng)變變化顯著大于等

5、壓加載和變側(cè)壓力系數(shù)加載階段；深部原狀人工凍結(jié)黏土在加載階段的應(yīng)變隨時間變化規(guī)律與重塑土相同，區(qū)別在于各個階段結(jié)束時的時間和相應(yīng)應(yīng)變小于重塑土。在恒軸壓卸圍壓模式下，應(yīng)變隨著時間顯著增大；在恒圍壓卸軸壓模式下，應(yīng)變隨著時間顯著減小。
　?。?）深部重塑人工凍結(jié)黏土在等側(cè)壓力系數(shù)加載階段應(yīng)變隨偏應(yīng)力的增大呈線性增長。在恒軸壓卸圍壓模式下，深部重塑人工凍結(jié)黏土應(yīng)變隨偏應(yīng)力的增大而增大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為應(yīng)變硬化型；恒圍壓卸軸壓模式下，應(yīng)

6、變隨偏應(yīng)力的減小而減小，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也為應(yīng)變硬化型。
　　（4）深部原狀人工凍結(jié)黏土在等側(cè)壓力系數(shù)加載階段應(yīng)變隨偏應(yīng)力的變化規(guī)律與重塑黏土相同，在恒軸壓卸圍壓模式下，深部原狀結(jié)黏土應(yīng)變開始時隨著偏應(yīng)力的增大而增大，到達(dá)峰值強(qiáng)度之后應(yīng)變隨著偏應(yīng)力的減小而減小，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化型。恒圍壓卸軸壓模式下，應(yīng)變隨偏應(yīng)力的變化規(guī)律與重塑黏土相同。
　?。?）加載結(jié)束后，深部重塑人工凍結(jié)黏土的結(jié)構(gòu)呈“腰鼓狀”；深部原狀人工凍結(jié)黏

7、土的結(jié)構(gòu)呈“劈裂狀”，二者均可以看到接觸力鏈。恒軸壓卸圍壓模式下卸載結(jié)束后深部重塑人工凍結(jié)黏土的“腰鼓狀”處的直徑相比于加載階段結(jié)束時更大，試樣高度更低，接觸力鏈更完整；原狀黏土的劈裂處的裂隙更大，接觸力鏈中出現(xiàn)剪切面。恒圍壓卸軸壓模式下卸載結(jié)束時的試樣形態(tài)與恒軸壓卸圍壓模式下的相反。卸載結(jié)束時，溫度對峰值強(qiáng)度和彈性模量的影響呈線性關(guān)系，溫度的影響效應(yīng)大于圍壓。
　?。?）通過室內(nèi)三軸加卸載試驗(yàn)，得到卸載路徑下不同圍壓、凍結(jié)溫度條