渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

干湿循环对深部粉砂岩蠕变特性影响的试验研究

为探究围岩含水率变化对深部岩体长期稳定性的影响,以朱集东煤矿-906 m处粉砂岩为研究对象,借助ZYSS2000型岩石高温高压蠕变仪,采用分级加载方式,对不同干湿循环次数粉砂岩试件开展单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,随干湿循环次数增多,粉砂岩轴向蠕变应变和轴向稳态蠕变速率呈非线性增大,瞬时变形模量呈对数降低,且轴向蠕变应变和轴向稳态蠕变速率在1次干湿循环后出现较大增幅,瞬时变形模量在干湿循环0~1次阶段劣化度最大,为10.06%;不同干湿循环作用后的粉砂岩试件在最后一级应力作用下发生蠕变破坏的规律基本一致,且在相同的破坏应力下,随干湿循环次数的增多,粉砂岩试件蠕变破坏全程历时逐渐减小,减速蠕变段和加速蠕变段占全程历时的比例逐渐升高;粉砂岩的长期强度随干湿循环次数的增多逐渐降低,且在1次循环以后出现较大的降幅;粉砂岩的蠕变破坏特征随干湿循环次数增多呈现出由张拉破坏向剪切破坏转化。     

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。     

基于FLAC~(3D)的粉砂岩压缩蠕变试验数值模拟研究

基于FLAC3D,建立粉砂岩单轴压缩蠕变数值试验模型,调用自定义本构模型进行单轴蠕变数值模拟试验研究,探讨单轴压缩条件下不同应力水平粉砂岩蠕变特性。数值模拟试验表明,无论是应变量值还是蠕变整体变化趋势,数值模拟的结果均与室内蠕变试验结果十分相近,反映了所建立的数值分析模型和自定义本构模型开发的正确性和适应性。分析还表明,试件顶部的瞬时应变和蠕变均较试件底部明显,反映应力由上至下的传递过程。试件形状改变对轴向蠕变影响很小,而对径向蠕变的影响极为明显;同等条件下,长方体试件的径向蠕变明显大于圆柱体试件。试件的直径和高度的变化对轴向蠕变、径向蠕变影响均很小。所获结论对室内岩土蠕变试验有较好的指导意义。     

三轴压缩分级卸荷条件下粉砂岩蠕变特性及蠕变模型

针对深井巷道开挖卸载围岩蠕变特性问题,以袁店二矿西风井马头门巷道粉砂岩为研究对象,基于巷道围岩开挖过程中应力的实际调整路径设定试验加载方式,开展三轴压缩分级卸荷蠕变试验,系统分析粉砂岩在不同围压下的蠕变特性,基于分数阶导数引入黏塑性蠕变启动元件,建立粉砂岩卸荷蠕变模型,并得到试验验证。研究表明：当应力水平低于粉砂岩准破坏应力时,其只呈现衰减和稳态2个蠕变阶段;高于粉砂岩准破坏应力时,则进入非线性加速蠕变阶段直至发生破坏;不同初始围压下粉砂岩发生蠕变破坏的总时长以及非线性加速蠕变破坏的启动时间均明显不同;粉砂岩试样轴向蠕变变形与初始围压正相关。研究提出的蠕变模型具有参数相对较少,易于引入数值分析软件等优点。对今后分析该类岩层井巷施工卸载后围岩稳定性具有一定的应用价值。     

砂岩蠕变特性及蠕变力学模型研究

应力水平对岩石蠕变特性有很大的影响。通过对砂岩单轴蠕变试验研究表明:当加载应力远小于屈服应力时,应变速率持续衰减最终保持恒定,只产生蠕变的第1,2阶段,试件不会破坏,属于稳定型蠕变;当加载应力大于或小于但接近于屈服应力时,应变速率先衰减后加速增长,蠕变的3个阶段都产生了,在蠕变第3阶段产生了轴向方向的3条裂纹,最终裂纹扩展贯通而破坏,破坏形式为张性拉裂破坏,属于非稳定型蠕变。实验说明,屈服应力是岩石产生极非稳定型蠕变的一个临界值。根据加载应力水平产生的蠕变差异,建立了砂岩的经验本构模型和蠕变力学模型,为岩体工程建设提供借鉴与参考。     

分级加载条件下岩石流变特性的试验研究

以红砂岩为例,采用重力加载式流变仪,在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验研究,重点观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变形效应,同时对其他时效变形特点进行了分析。试验结果表明,侧向稳定蠕变阶段的应力门槛值低于轴向稳定蠕变的应力门槛值;侧向蠕变有明显的加速蠕变阶段,且比轴向加速蠕变阶段出现得早,而轴向蠕变的第三阶段则不太明显,一经出现试样随即破坏。在单体分级加载条件下,受蠕变的影响,随应力水平和变形量的增加,岩石的瞬时弹性模量有明显的增大,泊松比的变化则更为显著。     

双轴压缩条件下绿片岩的卸载蠕变特性试验

对绿片岩进行双轴压缩状态下的加卸载蠕变特性试验,并基于Mohr-Coulomb屈服准则得到塑性元件,将该塑性元件与六元件黏弹性流变模型组合得到复合黏弹塑性流变模型。研究结果表明,当以定侧压比同时施加轴向和侧向荷载时,轴向和侧向应变基本随着荷载等级的增加而增加;当将轴向荷载和侧向荷载同时卸载时,轴向和侧向应变均随荷载等级的不断减小而减小;卸载前后的应力水平差越大,不可恢复的瞬时应变也越大;蠕变试验曲线和理论模型曲线较吻合,说明复合黏弹塑性流变模型能较好地描述绿片岩的蠕变特性。     

考虑试样宽度影响的绿片岩双轴压缩蠕变试验

对绿片岩试样进行双轴压缩蠕变试验,采用六元件黏弹性流变模型对试验曲线进行拟合分析,研究试样宽度尺寸对蠕变变形规律的影响。研究结果表明：相同应力水平下,当将试样的宽度逐渐增加时,轴向应变和侧向应变并非呈一直增加或减小的趋势;轴向稳态蠕变速率呈逐渐减小的趋势。蠕变试验曲线和理论模型曲线较吻合,说明六元件流变模型能较好地描述绿片岩的黏弹性蠕变特性。     

锦屏二级水电站绿片岩双轴压缩蠕变 特性试验研究

 利用岩石双轴流变试验机对锦屏二级水电站辅助洞的绿片岩进行不同加载路径、不同应力水平下的双轴压缩蠕变试验,将一维Burgers模型推广到双轴受压状态,对试验曲线进行辨识。结果表明,轴向和侧向的蠕变规律与加载方式有很大关系,当以定侧压比同时加轴向和侧向荷载时,轴向和侧向应变基本随荷载的增加而增加,而采用定侧压的加载方式时,侧向应变则随轴向荷载的增加而逐渐减小。采用Burgers模型拟合试验曲线时,其理论值与试验结果比较接近,因此,Burgers模型比较适合描述绿片岩的黏弹性流变特征,研究得到的双轴压缩蠕变参数也可供锦屏二级水电站深埋隧洞的设计参考。     

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.     

超大次循环荷载下超固结黏土的长期不排水力学特性研究

风、波浪等荷载具有超大循环次数的特征,极大影响黏土的长期不排水动力特性,是黏土地基基础设计的关键问题之一。针对现有动力试验荷载循环次数不足的现状,以超固结度为4的重塑土试样为研究对象,开展了一系列不排水三轴动力试验,研究了在超大次(比如超过10~6次)循环加载情况下黏土的相关特性。试验结果表明,在对称循环加载作用下,饱和黏土存在循环应力比门槛值为0.44~0.48。在循环加载初期,试样的轴应变及孔压的变化与前人对黏土动力试验研究结果一致。然而,随着循环加载次数的增加,动轴向应变减小,累积轴向应变增加;尤其是加载过程中由正孔压降低到负孔压。针对这一新的发现,增加了一个超固结土的蠕变试验结果进行了分析解释,为研究超大次循环荷载下超固结黏土的长期不排水力学特性的机理提供了新的思路。     

昆明泥炭土直剪蠕变特性及长期强度试验研究

昆明泥炭土的蠕变特性影响着该地区各类建（构）筑物的长期稳定性和结构安全。采用改进的应力控制式直剪仪,以分级加载方式开展一系列的直剪蠕变试验,研究不同固结压力下剪应变随剪应力与时间的变化规律,以及长期强度与短期强度间的关系。结果表明：昆明泥炭土具有显著的非线性蠕变特性,当剪应力较低时,直剪蠕变曲线表现为衰减稳定蠕变;随着剪应力增大,蠕变曲线会同时出现衰减稳定蠕变和非稳定等速蠕变;当剪应力较大时,则会呈现出加速蠕变现象,并快速发生破坏。在施加水平剪应力的瞬间,泥炭土即产生较大的剪切应变,且瞬时应变随着剪应力的增加而加大,而瞬时应变占总应变的比例逐渐降低,表明泥炭土在高剪应力水平下,蠕变现象加剧。与短期强度相比,泥炭土长期强度的黏聚力和内摩擦角均有一定程度的下降。当固结压力为50~400kPa时,长期强度约为短期强度的57%~70%。     

灰质泥岩蠕变特性试验研究

为了研究灰质泥岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对灰质泥岩进行了分级加载三轴压缩蠕变试验。试验结果显示,随偏应力增大,灰质泥岩瞬时应变、蠕变应变及稳态蠕变率等均随之增大,且稳态蠕变率和偏应力的关系可用幂函数描述,但蠕变应变占总应变的比重增幅却非常缓慢;灰质泥岩蠕变过程具有非线性特征,其弹性模量随蠕变时间增加而逐渐减小,该变化过程可用Logistic函数反映。利用6元件扩展Burgers模型对试验结果进行了拟合,结果表明:拟合曲线和试验结果吻合良好,误差较小,说明该模型能够准确反映灰质泥岩的蠕变特性。     

Laboratory creep tests for time-dependent properties of a marble in Jinping Ⅱ hydropower station

In order to investigate the time-dependent behaviors of deep hard rocks in the diversion tunnel of Jinping II hydropower station,uniaxial creep tests were carried out by using the triaxial testing machine RC-2000.The axial compressive load was applied step by step and each creep stage was kept for over several days.Test results show that:(1) The lateral deformation of rock specimens is 2-3 times the axial compressive deformation and accelerates drastically before damage,which may be employed as an indicator to predict the excavation-induced instability of rocks.(2) The resultant deformation changes from compression to expansion when the Poisson’s ratio is larger than 0.5,indicating the starting point of damage.(3) In the step-loading stages,the Poisson’s ratio approximately remains constant;under constantly imposed load,the Poisson’s ratio changes with elapsed time,growing continuously before the specimen is damaged.(4) When the applied load reaches a certain threshold value,the rock deteriorates with time,and the strength of rocks approximately has a negative exponent relation with time.(5) The failure modes of the deep marble are different in long-and short-term loading conditions.Under the condition of short-term loading,the specimen presents a mode of tensile failure;while under the condition of long-term loading,the specimen presents a mode of shear failure,followed by tensile failure.     

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。