白垩系冻结软岩非线性流变模型试验研究

通过高围压固结、低温冻结后再加卸载的试验方法模拟白垩系冻结软岩地下工程施工应力状态变化过程,大量的试验结果表明：白垩系地层冻结软岩存在起始临界应力阈值,且符合Mises强度函数准则;冻结软岩黏滞系数是时间的一次函数,拟合相关系数达0.99以上。根据试验提出了冻结软岩黏弹塑非线性蠕变本构力学模型,将现场实测结果与计算值进行对比：两者变形规律完全一致且数值较吻合,从而验证了低温软岩本构模型的正确性,可为冻结地下工程和寒区岩土工程数值计算提供参考。     

堆石蠕变与颗粒破碎特性三轴试验

为分析堆石的蠕变规律和研究颗粒破碎与蠕变的关系,对某堆石料进行了不同应力水平和围压下的大型三轴排水蠕变试验.蠕变试验后通过筛分试验测量了堆石的颗粒破碎程度.结果表明堆石的蠕变变形与应力水平和围压有关;轴向蠕变和体积蠕变随应力水平的增大而增大,应力水平相同时则随围压增大而增大.堆石的应变-时间关系可用幂函数表示,轴向应变...     

砂质泥岩三轴卸荷蠕变试验研究

为了揭示深部软弱地层开挖卸荷后围岩流变力学特性,开展砂质泥岩恒轴压逐级卸围压三轴卸荷蠕变试验,研究软岩轴向、侧向和体积蠕变规律和卸荷流变过程中偏应力–应变关系特性。主要结论有:(1)每卸除一级应力(10 MPa)产生的瞬时变形、蠕变变形、蠕变变形相对该级荷载下的瞬时变形的比值、蠕变变形占总变形量百分比均随偏应力的增加而增大,围压越低蠕变变形增加的幅度越大;(2)随着围压逐级卸荷,岩石内部产生竖向张性微裂纹,微裂纹的萌生和扩展使得卸围压瞬时产生较明显的侧向变形,且蠕变过程中微裂纹将发生与应力水平相应的时效扩展,产生黏塑性变形;(3)岩石在时效条件下的渐进破坏的本质是损伤随时间的逐渐累积,并伴随着裂纹的时效扩展,统称为时效损伤破裂;(4)随着围压逐级卸荷,偏应力增大,历史上经历的卸荷级数多、蠕变时间长,试样内部积累的不可恢复应变和损伤越多,时效损伤破裂越剧烈,在该级荷载条件下轴压低的试样其流变速率越大,蠕变变形量越大,卸荷效应和流变特征更加明显,同时伴随显著的侧向扩容,导致蠕变扩容;(5)卸荷和蠕变所产生的损伤和塑性变形对后续力学行为影响非常显著。     

巴东组泥岩非线性流变本构模型研究

巴东组泥岩是红层软岩的一种,是典型的易滑地层,因此研究巴东组泥岩的力学特性有着十分重要的意义。本文以巴东组泥岩为研究对象,开展室内瞬时力学试验和流变力学试验。根据巴东组泥岩瞬时三轴压缩试验结果确定流变试验应力加载等级,开展三轴压缩条件下巴东组泥岩流变力学试验,分析岩石的流变力学特性。通过比较屈服强度与流变长期强度,引入屈服应力阈值元件和长期强度阈值元件;研究破坏阶段的黏滞系数变化规律,采用幂函数描述破坏阶段的黏滞系数特征,引入具有应变阈值的非线性牛顿体元件。最终建立一个新的八元件非线性黏弹塑性流变本构模型。应用L-M算法对流变试验曲线进行辨识,得到各个加载等级水平下的流变模型参数。对比试验数据与模型拟合数据,两者吻合较好,表明本文建立的流变本构模型能够准确的描述岩石的3个典型流变阶段。最后分析了应变阈值元件参数和应变阈值对流变时长的约束作用。     

橄榄岩蠕变特性及本构模型研究

为了研究橄榄岩的蠕变力学特性,对取自中老铁路玉磨线安定隧道的橄榄岩开展常规压缩和不同围压下的蠕变试验。试验结果表明,饱和橄榄岩试件与干燥试件弹性模量的比值和其软化系数较为接近,而饱和试件的泊松比略大于干燥试件;橄榄岩加载后产生的瞬时应变以弹性应变为主,且其存在蠕变启动阈值;当轴向偏应力低于蠕变启动阈值时,橄榄岩仅产生瞬时应变,而无蠕变应变;当轴向偏应力高于蠕变启动阈值时,橄榄岩才会产生蠕变现象;随围压增大,橄榄岩的蠕变启动阈值和加速蠕变阈值有呈线性增大的趋势。在此基础上,根据橄榄岩的蠕变特点,建立一个7元件的非线性黏弹塑性蠕变模型来描述橄榄岩的蠕变行为,并利用蠕变试验结果对模型的合理性进行了验证。结果表明,所建模型能较好地反映该类岩石的蠕变力学行为。     

不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征

开展3种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验,得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线,分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明:(1)卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在初始阶段呈线性关系,而后呈明显的非线性关系,岩石轴向变形不明显,变形主要表现为环向变形,岩石扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小,而泊松比随卸荷比的增大而增大,在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显,而后呈指数型变化,且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形参数的影响更加明显。(3)在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则较Mohr-Coulomb强度准则更能反映岩石的卸荷破坏强度特征;相对于常规三轴压缩试验,恒轴压卸围压试验试样黏聚力c降低24.21%,内摩擦角?增大16.71%,而加轴压卸围压试验试样黏聚力c增大10.25%,内摩擦角?减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中试样抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。     

软岩蠕变特性及非线性模型研究

根据对单轴压缩条件下软岩蠕变特性的分析,引入损伤变量和硬化函数,建立软岩轴向和横向非线性蠕变模型。软岩轴向蠕变的典型曲线分为衰减、等速和加速蠕变3个阶段,分析认为：产生衰减蠕变的原因是岩石力学性质发生了硬化,主要是由于黏滞系数的硬化引起的;产生加速蠕变的原因是岩石发生了损伤软化,主要是由于岩石弹性模量的损伤引起的。软岩蠕变过程的3个阶段是非线性损伤和硬化两种机制并存、互相竞争的结果,采用单一的模量损伤或黏滞系数的非线性变化均不能合理地描述和解析蠕变过程的3个阶段。同时,引入损伤和硬化两种机制后所建立的非线性蠕变模型可以用一个统一的方程描述软岩蠕变过程3个阶段的变形特征,也可以对蠕变过程的3个阶段做出合理解析。将该模型与泥岩及红砂岩的试验曲线进行对比,两者吻合较好。     

坝基硬岩蠕变特性试验及其蠕变全过程中的渗流规律

 采用先进的岩石全自动流变伺服仪,对坝基坚硬岩石变质火山角砾岩进行渗透水压力作用下的三轴流变力学试验。基于试验结果,研究变质火山角砾岩在不同围压下的蠕变特性,并分析岩石蠕变全过程中渗流速率随时间的变化规律。研究结果表明,当所施加应力水平小于岩石破裂应力水平时,变质火山角砾岩轴向蠕变变形不明显,且主要表现为稳态蠕变;当施加应力水平大于或小于但接近岩石破裂应力水平时,出现明显蠕变变形,蠕变速率开始增加,且发生加速蠕变破裂,表现出较为明显的加速蠕变特性。变质火山角砾岩环向蠕变变形量明显大于轴向蠕变变形量,表现出明显体积扩容现象。变质火山角砾岩稳态蠕变阶段的渗流速率随时间变化不大,但加速蠕变阶段的渗流速率明显增大,围压2 MPa下变质火山角砾岩的渗流加速度大于围压6 MPa下的渗流加速度。试验结果旨在为岩石流变本构模型及参数辨识提供可靠的试验依据。     

带约束拉杆方钢管/竹胶合板组合柱轴压蠕变性能

对4根带约束拉杆薄壁方钢管/竹胶合板组合空芯柱(SBCCB)试件进行轴压蠕变试验以及蠕变后二次轴压破坏试验,考察试件的轴压蠕变特点、蠕变后受压破坏形态,并分析长期承载对SBCCB试件轴压极限承载力的影响.结果表明:SBCCB试件的轴压蠕变应变随试件长细比的增大而减小、随轴压应力水平增加而增加;不同长细比试件的蠕变应变-时间曲线均包含瞬态蠕变阶段和稳态蠕变阶段,温湿度变化对其局部蠕变有影响;蠕变对试件的轴压承载力、轴向及侧向变形能力有较大影响;基于流变力学理论的Burgers计算模型可较好地预测SBCCB试件的蠕变应变发展.     

层状盐岩能源储库泥岩夹层蠕变特性研究

针对目前层状盐岩能源储库围岩中泥岩夹层的蠕变特性问题,结合声发射技术对泥岩夹层的多级阶梯蠕变力学行为进行了研究,并分析了各应力水平下从初始加载到稳定蠕变的损伤特征。结果表明：在低应力水平下,夹层的轴向变形大于横向变形,随着应力的增加,尤其在临近破坏阶段,横向变形现象更加显著,而对应的轴向与横向稳态蠕变率随加载应力的增加均呈现非线性加速;在各应力水平的初始加载阶段,泥岩夹层产生大量AE信号,待蠕变稳定后AE声发射计数信号明显减小,在最后一级应力水平下产生大量的AE信号;利用改进后的分数阶黏弹塑性模型与西原体模型对理论与试验蠕变曲线结果进行拟合对比,拟合结果表明改进后的蠕变方程曲线与试验曲线的演化规律更吻合。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

盐岩三轴蠕变与损伤恢复变形特征研究

地下盐岩储气库建设在我国能源储备战略中具有重要的地位,盐岩蠕变特性对地下盐岩储气库长期安全运行具有重要意义。为研究长期荷载作用下盐岩蠕变变形与损伤恢复特征,进行了不同围压、定偏应力的三轴蠕变及损伤恢复试验,损伤恢复时长超过150 d。研究结果表明:(1)高偏应力作用下,盐岩试样出现了明显的蠕变变形,轴向变形在30~40 d达到7%,体积变形先压缩后发生扩容;(2)低偏应力作用下,盐岩轴向蠕变变形量较小,体积变形持续压缩并趋于稳定;盐岩体积应变增幅随围压增大而逐渐增大,损伤恢复阶段试验达到150 d时,围压10、15、20、25 MPa对应体积应变分别相对增大1.06%、1.31%、1.30%及1.42%,盐岩体积应变增幅与围压之间呈正线性相关;(3)根据盐岩损伤恢复过程中体积变化特征及盐岩体积变形速率曲线,将盐岩损伤恢复划分为损伤快速恢复与损伤缓慢恢复两个阶段;盐岩损伤恢复主要发生在损伤快速恢复阶段,该阶段的体积增幅均达到全恢复过程的80%以上。     

灰岩在三轴变围压循环压缩中的变形特征研究

 岩石在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一,需研究循环荷载作用下岩石的特性及演化规律。首先采用声波纵、横波波速测量方法,对岩样进行筛选。设计灰岩在施加不同围压和恒定循环上限应力作用下,三轴变围压循环加卸载下岩石变形特征测试方案。三轴变围压循环试验在GCTS–1000型岩石力学测试系统上进行,通过对试验结果的分析表明：(1) 灰岩在变、恒围压加、卸载循环中,形成一封闭的塑性滞回环。在轴向变形上滞回环面积逐次缩小;而变围压循环在径向变形上滞回环面积逐次增大,而恒围压循环在径向变形上滞回环面积几乎相等。(2) 在三轴变围压循环压缩试验中,围压增加和循环上限应力不变,残余变形量随着循环次数的增加而呈现出一个递减的趋势,轴向应变和径向应变的发展趋势是相反的。(3) 在整个循环加卸载过程中,各个加卸载阶段变形模量值不同,卸载阶段变形模量高于加载阶段变形模量。(4) 变围压循环加、卸载阶段变形模量的值大于恒围压循环加、卸载阶段下变形模量的值。通过试验,揭示灰岩在三轴变围压循环下,加载和卸载2种力学状态时变形特性的差异。同时分析变围压循环和恒围压循环状态下岩石弹性参数的差异性。     

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

 利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明：围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。     

高速铁路红层软岩路基时效上拱变形机制研究

红层软岩地区高速铁路路基在运营期出现持续上拱变形,已成为当前阻碍我国高速铁路发展的又一关键因素,为揭示引起红层软岩地基时效性上拱变形机制,以西南地区某典型红层软岩深挖路堑路基上拱变形病害工点为依托,在现场工程地质与水文地质调查分析的基础上,结合基底地应力测试、红层软岩的吸水膨胀性试验和不同水理条件下的蠕变性试验结果,从地基岩体赋存的水、力环境、红层泥岩的时效性膨胀特性和水-力耦合蠕变特性角度,建立红层软岩地基分层变形机制模型,并系统分析地基短期、中期和长期上拱变形机制和特征。研究成果表明:(1)上拱区段属红层泥岩夹薄层砂岩的近水平地层结构,开挖法向卸荷引起浅层岩体微观裂隙松弛而视显,深层岩体仍为完整,地基岩体水平切向应力显著增大导致路基变形具有明显的结构效应;(2)侧向约束轴向自由下,红层泥岩吸水的时效性变形特征与其岩性及结构特征有关;(3)红层泥岩在低应力状态下即表现出典型的三阶段蠕变变形特征,且轴向应力越小,蠕变应变比越大;(4)水-力耦合作用下红层泥岩蠕变特性更为显著,大量级卸荷情况下上拱蠕变显著增大,蠕变稳定持续时间增长;水汽-力耦合作用下仍会出现显著的蠕变变形,蠕变稳定持续时间更长,总蠕变应变相对减小;(5)根据不同层位岩体的变形机制,将红层软岩地基划分为大气影响层(C1)、水汽-力耦合变形层(C2)、水-力耦合变形层(C3)和水-力耦合封闭层(C4)。路基短期变形主要由C1层岩体引起、中期变形由C3和C4层岩体引起、长期变形由C2层岩体引起。研究成果可为红层软岩地区高速铁路路基时效性上拱变形风险评估、预测及工程控制措施的设计提供理论支撑或参考。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究

 为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归关系可用以主应力表达的Coulomb强度准则表征;岩溶灰岩试样的似软化系数及其降低速率均随围压增加而减小。从能量角度对2种状态试样损伤破坏过程中的能量特征进行试验研究,结果表明：饱水状态试样吸收的总应变能U,峰前储存的可释放应变能 及二者随轴向应变的增加速率均小于自然状态的对应值;随含水量增加 逐渐下降,峰后 释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的 释放率较大;峰值应力处试样各应变能随围压线性递增,2种状态下耗散能差值随围压的变化是试样破坏形式差异的内在原因;岩溶灰岩试样全过程能量实时演化过程具有阶段性,2种状态下压密和弹性变形阶段耗散能差别细微,但进入屈服阶段后,饱水状态试样耗散能增加更快。     

三维静载与循环冲击组合作用下砂岩动态力学特性研究

 利用动静组合加载试验装置,对具有不同轴压和围压的砂岩进行循环冲击试验,研究砂岩抵抗循环冲击载荷能力的变化特性,并重点讨论围压和轴压对砂岩动态疲劳力学特性的影响。围压分别设置为4,8,10和12 MPa四个系列,轴向静载荷分别设置为49,84,105和125 MPa四个系列,入射杆上的入射波大小相等,入射能大小为230 J。结果表明,相同围压下,总循环冲击次数随轴压的增大而减小;相同轴压下,随围压的增加,岩石承受的总循环冲击次数增加。随循环冲击次数的增加,岩石动态峰值应力、加载段的变形模量和弹性应变逐渐减小,动态峰值应变和残余应变逐渐增加。动态峰值应力和平均应变率具有良好的负线性关系;相同围压情况下,随轴压的递增,动态峰值应力和平均应变率拟合直线斜率的绝对值越来越大;相同轴压情况下,随着围压的增加,拟合直线斜率的绝对值越来越小。三维静应力情况下,减小轴压或增加围压有利于提高岩石抵抗外部循环冲击的能力。     

岩石剪切裂隙渗流特性试验与理论研究

 通过在三轴应力条件下对丹江口库区辉绿岩进行剪切破坏得到剪切裂隙,然后对剪切裂隙进行不同围压和裂隙水压力(渗透压差)作用下渗透性能的试验研究。研究结果表明：绝大部分岩样在剪切破坏后会形成单条贯穿剪切裂隙,这种剪切裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,且受环向应变影响很大,但受轴向应变影响较小;裂隙水压力对裂隙渗透系数影响明显,在相同净围压下,裂隙水压力越大,渗透系数越大,其主要原因是较大的裂隙水压力使裂隙两侧基岩产生附加变形,导致隙宽增加。基于试验数据和理论分析,根据三维应力下的裂隙–岩块位移模型推导考虑裂隙水压力的渗透系数计算公式,该公式可以较好地描述不同围压和裂隙水压力下实测渗透系数的变化趋势,并且公式中的参数均可根据简单的三轴压缩试验得到,计算结果与实测数据符合较好。