岩石流变力学研究现状及其发展趋势

流变性是岩石的重要力学特性之一,与岩体工程的长期稳定性紧密相关。阐述了我国近年来岩石流变研究的若干进展,主要包括岩石在水力、温度等不同环境下的流变试验、锚固岩石蠕变试验以及应力松弛试验研究和岩石长期强度以及岩石非线性流变模型研究等当前岩石流变力学研究的热点问题,并就今后需进一步研究和解决的问题提出了几点看法。     

大跨度隧道围岩流变参数智能分析及稳定性评价EI北大核心CSCD

流变模型和参数是软岩隧道工程稳定性计算的前提和基础,结合某实际工程,完成岩体物理力学试验数据及其岩土破坏形态试验分析,建立黏–弹–塑性软化模型作为泥岩长期稳定性分析的力学模型,并通过理论分析和经验类比方法预测泥岩的长期强度;同时结合试验和监测数据分析并利用人工智能分析方法,得到与室内试验较为吻合的流变参数。通过分析流变模型拟合曲线与试验流变曲线吻合度较好,该方法对于优化流变参数、提高数值模拟的准确性具有重要意义。在此基础上对大跨度隧道工程长期稳定性进行预测,分析认为:锚杆和衬砌受力变化总体岩体蠕变特征相似,支护初期应力加速增加,3~5 a后衬砌应力基本无变化,结构总体处于安全范围。     

挠曲核部破碎带岩石力学特性的试验研究

立煤湾膝状挠曲核部破碎带横穿向家坝水电站大坝坝基,破碎带的岩石由于完整性差,孔隙率大,含水率较高,会对坝基的变形和稳定性产生影响。通过研究破碎带岩石的物理和力学特性,发现破碎带岩石的碎裂岩、碎屑岩在三轴压缩条件下呈现非线性的应力应变关系,强度低、变形大,且没有明显的强度峰值,最终因变形过大而破坏;试验过程中,还发现随着岩石的屈服和变形的发展,出现明显的体积膨胀。并且通过破碎带岩石的流变力学试验,发现岩石流变特征明显,偏应力对流变速率有较大影响。最后根据常规三轴试验的应力应变关系建立了基于双曲线模型的改进Burgers模型,并对其参数进行辨识。     

应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响

由于流变特性的影响，饱和粘土的不排水抗剪强度与加载速率有关。应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响程度通常采用应变率参数（应变速率增长10倍下不排水抗剪强度的增长率）来反映。国外大量的试验结果表明这个参数为8％～20％，而大部分在12％左右，并且超固结比、固结状态、试验类型对应变率参数P的影响并不明显。介绍了一个用来研究应变率参数P的各向异性弹粘塑性本构模型，在这个本构模型的基础上推导得出了应变率参数P的理论表达式。实际上，只要是采用滞后变形理论构建的流变本构模型，都可以推导得出这个公式。这个公式从理论上证明了应变率参数与固结状态、试验类型的无关性。众多试验结果表明，对于大多数粘土，压缩指数与次压缩指数的比值大都为0．03～0．05，代入公式中ρ的计算结果为7．2％～12．2％。试验中所得到的高达20％的数值与灵敏性土在结构破损明显阶段所具有较高的压缩指数与次压缩指数的比值有关。计算结果与一些试验结果的对比表明了这个表达式的可靠性。     

节理岩体卸荷非线性力学特性研究

工程岩体根据其受力特性可以分为加载岩体和卸荷岩体,结合三峡工程永久船闸高边坡岩体,利用自行开发的三轴试验设备进行研究,根据几何和重力相似、材料力学性能相似、岩体结构相似、边界力相似、开挖过程模拟相似,由重晶石粉、铁粉、石膏、水等制作尺寸为250 mm×250 mm×250 mm的试件,试件的几何比尺选择为CL=3,9,27,81;并对几何比尺为27的试件制作含有与船闸轴线相垂直的卸荷方向成8°,36°,52°,82°,90°的结构面。对节理岩体的加卸荷应力–应变关系、卸荷岩体(应力–应变关系、抗拉强度、变形模量)的各向异性、卸荷岩体(抗拉强度、抗压强度、泊松比、变形模量)的尺寸效应、卸荷岩体的流变特性、卸荷岩体的强度准则进行试验研究。研究结果表明,不同结构面方向对岩体的卸荷作用明显;岩体的抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比以及岩体的各向异性等均随着尺寸的加大而降低;岩石受拉的流变特性与岩石所受的拉应力大小直接有关;得出Hoek-Brown准则所描述的岩体强度关系曲线中的岩体材料常数m,s值。     

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。     

大跨度隧道围岩流变参数智能分析及稳定性评价

流变模型和参数是软岩隧道工程稳定性计算的前提和基础,结合某实际工程,完成岩体物理力学试验数据及其岩土破坏形态试验分析,建立黏–弹–塑性软化模型作为泥岩长期稳定性分析的力学模型,并通过理论分析和经验类比方法预测泥岩的长期强度;同时结合试验和监测数据分析并利用人工智能分析方法,得到与室内试验较为吻合的流变参数。通过分析流变模型拟合曲线与试验流变曲线吻合度较好,该方法对于优化流变参数、提高数值模拟的准确性具有重要意义。在此基础上对大跨度隧道工程长期稳定性进行预测,分析认为:锚杆和衬砌受力变化总体岩体蠕变特征相似,支护初期应力加速增加,3~5 a后衬砌应力基本无变化,结构总体处于安全范围。     

基于强度折减法的盐岩地下储库腔群安全稳定性研究

将强度折减理论引入到盐岩地下储气库库群的安全稳定性研究中,提出库群失效破坏的临界标准。静力分析以塑性区贯通作为失效破坏临界判据,长期流变分析中失效破坏的临界判据包括塑性区贯通以及腔体体积收缩达到极限值。腔群整体安全系数计算通过搜索折减系数F,将岩体力学强度参数按F进行折减,使模型计算结果正好达到库群失效破坏的临界标准来实现。以金坛盐岩地下储气库为例,利用FLAC3D软件建立库群数值模型,根据强度折减理论对其进行静力分析和长期流变分析,获得不同条件下的库群整体安全系数。计算表明：静力分析中,随着折减系数的不断增大,腔周塑性区不断发展,腔群的整体安全系数为2.25;长期流变分析中,随着折减系数的增大,储库腔群的主要破坏因素由体积收缩逐渐转变为塑性区的发展贯通,在与静力分析相同的数值模型及内压条件下,库群运行50 a的整体安全系数为1.83。同时,探讨安全系数同矿柱间距、压强工况以及库群破坏模式之间的关系,为类似盐岩储气库库群安全运营和稳定性评价提供科学依据。     

基于岩石长期强度特征的岩质边坡时效变形过程分析

基于对岩体流变特性的认识,从岩石材料内在物理力学性质受环境影响随时间劣化与岩石内部细观损伤积累的角度出发,通过引入岩体细观表征单元体的强度退化模型,开展岩质边坡的时效变形与破坏特征的研究。首先模拟了含顺坡软弱结构面边坡的时效破坏模式,分析了软弱结构面分布和强度劣化特性对边坡长期稳定性的影响；其次对一含有明显的软弱结构面的软硬互层岩质边坡,进行了时效变形破坏的实例分析。由于岩体的流变特性,岩体强度参数随时间的推移而逐渐衰减,致使边坡稳定程度降低。特别是对于含有明显的软弱结构面及软岩层的边坡,软弱结构面及软岩层的长期强度特性不容忽视。对含有明显的软弱结构面的软弱互层边坡蠕滑破坏的控制和治理,应在顾及时间效应的基础上,着重考虑长期强度、渗控和开挖卸荷等主要因素。研究成果可望对类似边坡的安全评价和设计提供一定的参考。     

梅溪覆盖层上混凝土面板堆石坝流变变形反馈分析及安全性研究

在整理分析覆盖层上面板堆石坝变形观测资料的基础上,对坝体堆石料模型计算参数及流变模型参数进行反馈分析。根据反馈分析得到的计算结果,采用双屈服面弹塑性模型,用三维有限元法分析研究坝体、坝基、混凝土面板、防渗墙和趾板应力及变形的分布规律,得出了有价值的计算分析结果,论证了该坝运行期间的安全性。通过对该坝的流变计算,得出坝体、坝基流变变形较小,而且基本趋于稳定的结论。     

软硬互层边坡岩体的蠕变特性研究及稳定性分析

岩体的蠕变性是影响边坡变形与长期稳定性的重要因素之一。以清江水布垭坝址区马崖高边坡为例，针对边坡内具代表性的软岩和硬岩，通过开展室内岩石压缩蠕变试验，研究了不同类型软、硬岩石的蠕变破坏特征，据此建立了岩石的流变本构模型并进行参数辨识。在此基础上，应用三维粘弹塑性方法对马崖高边坡的时效变形及稳定性进行数值分析，探讨了边坡在开挖卸荷及泄洪冲切（运行期）等工程荷载作用下岩体的蠕变变形及塑性区发展。研究结果表明，软硬互层边坡岩体的蠕变效应十分显著，对于大规模开挖的岩质高边坡而言，岩体的蠕变特征不仅影响到边坡的位移量值，而且改变了边坡的位移形态。在工程长期运行过程中，岩体蠕变引起的应力场变化使得坡体内塑性区分布由坡面向坡内延伸，按流变10a计，其延伸深度可达数十米。     

紫红色泥岩剪切流变力学特性分析

针对五里堆2#滑坡内的巴东组T2 2b紫红色泥岩,进行室内岩石剪切流变试验,对泥岩在剪切变形过程中的流变特征进行深入研究。选用五元件黏弹性剪切流变模型建立流变方程,用Origin工具函数Exp Assoc拟合泥岩具有黏弹性特征的试验曲线,确定泥岩的黏弹性剪切流变参数。同时,利用流变参数对泥岩的流变曲线进行深入分析。基于泥岩的剪切流变试验,确定泥岩的长期强度参数。与泥岩的瞬时强度参数相比,长期强度参数有所降低。因此,用长期强度参数对滑坡进行设计更能保证工程的安全性。     

三门峡溢流坝基岩应变观测资料分析研究

本文介绍了大坝基岩应变的原型研究方法和结果,同时反演出基岩的有效弹性模量,并计算了应力。文中采用逐步回归分析法建立了基岩应变的数学模型,并据此进行了大坝的稳定分析和安全评价。     

马家岩水库坝基软弱夹层剪切特征及强度

对坝基存在软弱夹层的重力坝，控制其抗滑稳定性的主要因綮是夹层的抗剪强度，如何使提供的抗剪强度参数既保证大坝安全又经济合理是地质和试验工作的关键。分析了马家岩水库坝基软弱夹层的物质组成、矿物成分、结构类型、成因、剪切应力．应变特征，论证了塑性破坏类型软弱夹层抗剪强度参数取值的原则，提出了本工程坝基软弱夹层抗剪强度的地质建议值。     

A comprehensive testing method for global stability analysis of high arch dams

Hydropower projects are rapidly developing in China at present,and a number of high dams and large reservoirs are currently under construction or will soon be built.These large projects are mainly located on the great rivers in West China with complicated topographical and geological conditions.Evaluation of stability and safety of these high dam projects is an important topic.Geomechanical model test is one of the main methods to study the global stability of high dam and foundation.In this paper,a comprehensive testing method that combines overloading and strength reduction in a model is proposed.In this method,both the influence of excessive flooding and the effects of strength reduction of rock masses and weak structural planes on dam stability are considered.Thus,the comprehensive testing method can accurately incorporate multiple factors that affect the global stability of high dam and its foundation.Based on the failure testing principle and model similarity theory,a similarity relation formula for safety evaluation through comprehensive test is established.A new model material,temperature-dependent analogous material,is also developed.By rising the temperature and reducing the strength of the model material,the mechanical behaviors resulting from gradual strength reduction can be simulated.Thus,the comprehensive testing method is realized in a single model.For case studies,the comprehensive geomechanical model test is conducted for Jinping I and Xiaowan high arch dam projects.     

三峡左厂3#坝段深层抗滑稳定三维有限元分析

建立了包含基岩内大量节理裂隙和断层并且反映它们的真实产状和分布的三维有限元计算模型,研究了三峡工程左厂3#坝段的深层抗滑稳定问题,提出了一个合理实用的坝基安全系数的判断原则,给出了合理的基于强度储备概念的左厂3#坝段抗滑稳定安全系数。     

泥板岩流变试验与粘弹性本构模型研究

某水电站泥板岩变形是该坝区地下洞室群和高边坡研究的主要问题，探讨泥板岩粘弹性本构模型有重要意义。选取泥板岩岩芯做成简支梁进行流变试验，在梁上取10个测点贴上应变片，在梁的中央施加集中荷载，用应变仪测定10个测点的应变片在各级长期荷载作用下随时间变化的应变量。根据所测定的应变量来反演泥板岩粘弹性本构模型，得到了符合泥板岩的粘弹性流变本构模型。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

大藤峡闸坝典型坝段坝基稳定模型试验研究

在工程荷载和渗透水压的共同作用下,水闸工程坝基岩体强度和变形参数极易产生弱化,这对工程的安全建设和运行极其不利.针对大藤峡闸坝基岩的多层单斜和软弱夹层长大密集等不利地质条件,有必要对泄水闸坝段基础的滑移破坏模式做进一步研究.本文采用综合法地质力学模型试验,对大藤峡典型坝段闸坝与地基的整体稳定性进行破坏试验研究.通过超载...