残余强度阶段大理岩流变特性试验研究

锦屏二级水电站引水隧洞埋深大、地应力水平高,高应力状态下的大理岩具有明显的时效特性,工程部分岩体处于残余强度阶段,其流变特性对围岩长期稳定性具有显著影响。利用三轴压缩全过程试验获得进入残余强度阶段的大理岩试件,以此来模拟工程塑性区岩体,并对残余强度阶段的岩石试件进行不同围压下的三轴蠕变试验,系统研究残余强度阶段大理岩的蠕变特性及其长期强度。试验表明:残余强度阶段的大理岩具有明显的瞬时变形、减速蠕变和稳定蠕变特性;受内部大量破裂网格的影响,残余强度阶段岩体的瞬时应变和蠕变量较完整岩块有很大程度的提高;残余强度阶段大理岩的总蠕变量及蠕变速率均随偏应力的增大而增大;长期强度小于其残余强度且随围压的增大而增大;试件长期抗剪强度不具有黏聚力,内摩擦角较残余内摩擦角有所提高。基于残余强度阶段大理岩的蠕变特性,采用Burgers模型模拟其蠕变过程,并对蠕变参数进行辨识,研究表明:Burgers模型模拟结果与蠕变试验具有很高的吻合度,能很好地反映残余强度阶段大理岩的流变特性;其流变参数中弹性模量EM和黏性系数ηM均随着偏应力的增大而减小,黏弹性剪切模量GK与黏弹性系数ηK随偏应力的增大先增大后减小。     

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。     

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。     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

超500MPa高强钢高温蠕变性能试验研究

火灾发生时,钢材的高温蠕变效应可能会引起结构失效。对高强结构钢Q550,Q690和Q890进行了一系列高温蠕变试验,试验的温度点包括400、550、700℃和800℃,每个温度点下设3个应力水平,分别为0.4 f1,T、0.6 f1,T和0.8 f1,T(f1,T为高温屈服强度),得到了钢材在不同温度和应力条件下的蠕变曲线与蠕变速率曲线,并根据蠕变速率曲线的特征对蠕变的特征阶段进行划分。试验中观察到当温度与应力水平较低时,蠕变发展极为缓慢;而当温度与应力水平较高时,蠕变发展迅速,总蠕变应变很大;在高温、高应力条件下,蠕变速率曲线呈现三阶段特征,即先下降,随后基本保持恒定,然后迅速升高的三阶段;而在较低温度下,蠕变速率曲线仅呈现前两个阶段,可见温度及应力水平对钢材蠕变的发展具有显著影响。     

滨海软土非线性蠕变特性的试验研究

 合理描述滨海软土的蠕变规律对于软土地区各类建(构)筑物的长期稳定性和运行安全性是十分重要的。利用单向固结仪和改进的直剪蠕变仪,开展不同加荷方式下滨海软土的蠕变试验,获得应变与应力和时间的关系,分析其蠕变性状的结构性效应和影响因素,建立相应的蠕变模型。试验结果表明,天津滨海软土具有明显的非线性蠕变特性,其蠕变变形演化特征受其结构性制约和影响。在低应力水平条件下,软土蠕变量非常低,双对数应变–时间关系曲线存在明显的转折点;在高应力水平条件下,蠕变速率较高且产生很大的瞬时蠕变量;实施预压荷载作用不仅降低了软土最终的蠕变量,同时也影响到主、次固结的分界特性。采用修正的对数型表达式能较好地拟合滨海软土的瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定蠕变阶段。滨海软土的剪切蠕变变形在低应力水平下呈现出折线特性,而高应力条件下可近似为线性特性,其剪切模量随时间呈现减小趋势,随应力呈现先增大后减小的趋势,而黏滞系数随时间和应力呈现线性增大趋势。     

向家坝水电站含弱面砂岩剪切蠕变试验研究

向家坝水电站左岸坝基开挖过程中揭露出挤压带,该挤压带砂岩岩体质量差,其显著的蠕变变形对水工建筑物的安全稳定性不利.利用CSS-3940YJ型岩石剪切流变试验机,对挤压带含弱面砂岩进行剪切蠕变试验.试验结果表明:该岩石蠕变量大,破坏前剪应变为1.73%～8.05%,具有显著的延性特征,属于典型的软岩.正应力提高了岩石的延性特性.在恒定正应力下,岩石蠕变速率随剪应力水平的增大而增大.基于采集的大量试验数据,采用差分法求得每一时刻的蠕变速率,并利用幂函数对蠕变速率曲线进行拟合,分析表明蠕变稳定所需时间随剪应力水平的增大而增大.通过对破坏断口的分析发现:岩石内部微裂隙随剪应力水平和时间的增长而不断扩展直至贯通,致使岩石发生剪切破坏.该研究成果对向家坝水电站坝基工程有重要参考价值.     

互层状岩体黏弹塑性流变特性的数值分析

 对锦屏II级水电站辅助交通洞的绿片岩进行单轴压缩蠕变特性试验,并以绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象,采用FLAC3D对互层状岩体进行单轴压缩蠕变试验的数值分析。试验和数值分析结果表明：当大理岩夹层倾角小于60°时,互层状岩体的破坏强度随着夹层倾角的增大而减小,但当夹层倾角大于60°时,互层状岩体的破坏强度反而随着夹层倾角的增大而增大;当大理岩与绿片岩之间的破坏强度比值较小时,采用Reuss模型和Voigt模型预测复合层状岩体的破坏强度是合适的。     

分级加载下深部粉砂岩单轴压缩蠕变试验研究

为研究深部硬岩的蠕变特性,采用分级加载方式对深部粉砂岩进行了单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,分级加载作用下深部粉砂岩产生瞬时的轴向应变和侧向应变后随即进入蠕变阶段,深部粉砂岩的侧向蠕变发展较轴向蠕变快;在蠕变过程中存在一个应力阈值,其中轴向蠕变的应力阈值比侧向蠕变的大。随轴向分级荷载的提高,岩石的瞬时弹性模量呈先增加后减小的变化趋势,瞬时泊松比呈上凹型增长,轴向蠕变应变先减小后增大,侧向蠕变应变呈前期增长平缓的上凹型增长;根据试验过程中的等时应力-应变曲线的变化趋势,可以看出深部粉砂岩蠕变过程具有非线性特征,且侧向蠕变较轴向蠕变更明显。     

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。     

Investigation on physical and mechanical properties of bedded sandstone after high-temperature exposure

Uniaxial compression tests were carried out on bedded sandstone to explore the effect of exposure to high temperatures on the physical and mechanical properties of the specimens. The influences of testing temperature and bedding orientation on the physical and mechanical properties and failure behaviors of the bedded sandstone were analyzed. The results show that for sandstone with a constant bedding orientation, as the temperature increases, the P wave velocity first increases and then decreases, while the mass and density decrease. The mechanical properties of bedded sandstone, including its compressive strength and elastic modulus, first increase and then decrease with increasing temperature, and a thermal temperature of 400 °C was identified as the transition temperature, above which considerable changes in the mechanical properties were observed. In addition, the P wave velocity, strength, and elastic modulus also varied with increasing bedding orientation, which indicated that the bedded sandstone exhibits anisotropy in its P wave velocity, strength, and elastic modulus. The P wave velocity gradually increases with increasing inclination angle, and the fluctuation in the anisotropic degree of the P wave velocity remains small as the temperature increases. The strength and elastic modulus of the bedded sandstone exhibit U-shaped variations with increasing bedding orientation, and the anisotropy degree first increases and then decreases with increasing temperature. Furthermore, the failure modes are closely related to the designed heat treatment temperature and bedding orientation and can be generally classified into four categories: shearing across the rock matrix and bedding planes, shearing combined with tensile splitting, shearing along the bedding planes, and shearing combined with tensile splitting along the bedding planes. Finally, the effect of high temperatures on the mechanical properties of bedded sandstone was further revealed by means of SEM analysis from a microstructure point of view.

     

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。     

某地区花岗石三轴蠕变试验及其损伤分岔特性研究

 以某地区花岗岩为例，在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行三轴压缩蠕变试验研究，试验结果表明：岩石变形从稳态蠕变进入加速蠕变阶段存在一个应力阈值，当应力低于该阈值时，岩石内部的原始裂隙和孔隙在低应力水平下挤压密实，产生微细观的线黏弹性变形，蠕变变形以平缓的速率增长并最终趋于稳定，此时岩石的流变参数保持恒定；当应力超过该阈值时，在较高应力水平的持续作用下，岩石内部有大量细观分布裂纹产生并且迅速发展，损伤急剧演化累积，导致岩石流变参数发生突变。采用FLAC3D对花岗岩三轴蠕变试验进行三维数值模拟，得到岩石蠕变进入加速阶段的应力阈值。最后结合固体力学的分岔理论，从流变参数的角度考虑，对广义开尔文模型引入损伤变量，建立能够反映岩石加速蠕变阶段的损伤演化方程，对岩石进入加速蠕变阶段后由于参数突变引发的分岔力学特性进行分析，确定引起岩石发生分岔行为的流变参数以及岩石蠕变变形的分岔点。计算结果表明，基于考虑损伤影响的有效初始弹性模量得到的计算曲线与试验曲线的吻合情况较为理想。     

不同含水情况下的泥岩蠕变试验及其对油田套损 影响研究

 以大庆泥岩为研究对象,进行不同含水条件下的强度试验和蠕变试验,分析含水量变化对泥岩强度、弹性模量等基本力学参数以及蠕变特性的影响。试验结果表明：含水量的增加,大大降低了泥岩的弹性模量和单轴抗压强度,并使泥岩的蠕变变形和稳态蠕变率显著增加。通过试验得到考虑含水量变化的泥岩蠕变本构方程,并与试验曲线进行对比。以大庆油田南二区某井套损段泥岩层为例,建立数学模型,根据得到的蠕变本构方程,对不同含水条件下井壁泥岩的蠕变挤压应力进行数值模拟,通过对比分析,说明在非均匀挤压应力作用下,泥岩含水量的增加会大大加快蠕变应力的增长速度,使围岩对套管产生的蠕变挤压应力达到极值所需的时间迅速减小,大大缩短套管使用寿命。油田开采过程中,应防止高压注入水进入泥岩,以预防和减少由于泥岩进水发生蠕变导致套管损坏。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

考虑温度效应的花岗岩蠕变损伤本构关系研究

 为了解核废料处置库围岩在不同温度下的蠕变损伤特性,基于不同温度(20 ℃～300 ℃)下花岗岩单轴抗压蠕变的试验结果,分析温度对花岗岩整个蠕变损伤过程的影响特征,认为温度对花岗岩的瞬时弹性模量产生热损伤并加速花岗岩的后续蠕变损伤过程。基于西原模型,引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的蠕变损伤变量,建立温度作用下花岗岩的蠕变损伤本构模型。通过不同温度下花岗岩的蠕变试验数据对建立的蠕变损伤模型参数进行识别,得到不同温度下蠕变损伤模型的材料参数。通过比较蠕变损伤模型的理论结果和试验结果发现,该模型能够很好地反映花岗岩不同阶段的蠕变特性,表明该模型的合理性和正确性。分析模型参数随温度的变化规律,结果表明：随着温度的上升,花岗岩的蠕变损伤破坏时间迅速减小,并满足负指数衰减规律;随着温度的上升,花岗岩的蠕变阶段的破坏特征从脆性向延性转变,其破坏特征参数满足负指数增加规律;随着温度的上升,花岗岩的松弛时间迅速减小。     

层状砂岩各向异性力学特性试验研究

岩体的各向异性力学特性对工程安全稳定具有至关重要的影响。针对工程中常见的层状砂岩,设计进行0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7种层理角度的单轴和三轴压缩试验,详细分析层理角度对岩体力学特性和破坏模式的影响。研究结果表明:(1)不同层理角度岩样的应力–应变曲线形态基本一致,均包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,随着层理角度的增加,应力–应变曲线的压密阶段逐渐变短;(2)在单轴和三轴压缩状态下,层状砂岩各向异性特性明显,层理角度从0°增大到90°,弹性模量逐渐增大,而变形模量、抗压强度、黏聚力和摩擦角先减小后增大,呈U型分布,在0°或90°时达到最大值,60°左右时达到最小值;(3)随着围压的增大,其对层理弱面开裂滑动的限制作用逐渐增强,层理弱面对岩样的破坏模式影响效应逐渐减弱,不同层理角度岩样的力学参数差别逐渐减小,岩样的各向异性特性逐渐减弱;(4)层状砂岩的破坏模式与层理角度和围压的关系密切,可以归纳为3种类型:劈裂张拉破坏、顺层理弱面的剪切滑移破坏、局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏。研究结论可为层状砂岩相关的工程变形稳定分析提供参考。     

岩体蠕变结构效应的数值模拟研究

采用数值模拟试验方法对岩体结构的蠕变力学效应进行研究。通过对均质岩体、不同分布产状和数量的结构面试件进行单轴、三轴压缩蠕变试验的计算机仿真,探讨岩体蠕变的结构效应、围压效应以及不同结构条件下岩体的蠕变变形规律与破坏特征等。结果显示,结构面产状对岩体流变性态的影响十分显著,它不仅明显改变岩体的蠕变强度、位移形态,而且控制着岩体的破坏模式及破坏条件。大多数试件的蠕变曲线与实验室或现场得到的岩石单轴、三轴压缩蠕变曲线特征基本相似;各试件之间由于结构面产状、侧向应力水平等的不同其蠕变曲线型式在高应力状态下有所差异。     

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。     

ANALYSIS ON INCLINATION ANGLE OF SHEARBAND UNDER LOW CONFINING PRESSUREBASED ON GRADIENT-DEPENDENT PLASTICITY

The inclination angle ofsbear band is analyzed considering heterogeneity of rock material when a single shear hand is formed in the center of specimen under triaxial compression. The analytical solution of post-peak axial stress-axial strain curve is deduced using the assumption that the total post-peak deformation is composed of entire uniform elastic deformation and localized shear plastic deformation dependent on the thickness of shear band. The obtained solution shows that the post-peak stiffness is related to the inclination angle of shear band, confining pressure, thickness of shear hand and elastic modulus, etc. Using the solution, the expression for the inclination angle of shear hand can be presented easily and it is dependent on constitutive parameters of rock material and geometry parameters of rock specimen. Larger dilation angle or loading rate leads to increment of the inclination angle. In addition, the inclination angle increases with the thickness of the shear band, which cannot be explained or forecasted by other existing solutions, such as Coulomb inclination, Roscoe inclination and Arthur inclination, etc.