论文部分内容阅读
人工冻土是一种粘弹性材料,在冻结法施工中掌握冻土的变形特性对安全建井至关重要。自我国在1955年首次采用冻结法凿井取得成功以来,人工冻土法主要运用于不稳定含水地层的凿井工程建设。近年来随着机械化水平逐渐提高,我国矿井向深部开采的规模逐渐扩大,煤炭产国将要面临煤矿深部开发所出现的工程问题。而对深厚的表土进行人工冻结凿井过程中也暴露出越来越多的工程问题,其中冻结壁变形过大造成冻结管的断裂现象已日益引起人们的重视。此类现象的出现主要由于冻结壁产生比较大的蠕变变形,冻结管发生弯曲变形,应力集中造成的。所以,研究人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。本文正是基于对冻结黏土的蠕变试验数据,建立其黏弹塑性分数阶导数元件模型,利用粒子群算法对拟合的模型参数进行优化,从而分析预测冻结黏土的蠕变特性。本文的研究的主要内容有：通过对某矿井井孔检查孔代表性地层土样及其重塑土进行室内冻结抗压强度和蠕变试验获取不同加载应力下,各个负温条件的蠕变试验曲线；使用编程软件对建立的蠕变模型参数进行识别优化,从而得到蠕变模型的材料参数；对蠕变模型计算值和试验结果进行对比,判断模型曲线与试验蠕变曲线是否很好的吻合,并预测其他条件下冻土的蠕变特性。本文利用安徽理工大学土木建筑学院冻土研究所自制的WDT-100型微机控制电液伺服冻土单轴试验机进行力学性能试验。对原状土进行三个温度水平(-5℃、-10℃、-15℃),重塑土三个含水率、四个温度水平(-4℃、-8℃、-12℃、-16℃)的单轴抗压试验,得出其单轴抗压强度σs。再对原状土和重塑土相应温度水平下分别进行三个加载系数(0.3σs、0.5σs、0.7σs)条件下的单轴蠕变试验,获得了其蠕变曲线。通过对于本文研究的冻结砂质粘土的大量蠕变曲线的比较分析发现该类材料的蠕变曲线属于非衰减蠕变,由非稳定蠕变、稳定蠕变和加速蠕变三部分组成。基于传统的伯格斯模型不能描述冻土加速蠕变,本文运用分数阶导数的性质,建立了分数阶导数的伯格斯模型和基于应变能理论的分数阶伯格斯模型,同时利用粒子群的方法对两种伯格斯模型进行了数值拟合的优化,验证了粒子群优化下的两种模型在拟合冻土加速蠕变过程中的卓越性,两种模型都可以很好的描述蠕变全过程曲线。