粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性试验研究

 采用RLJW–2000型岩石三轴流变伺服仪,在分级加载条件下完成饱和粉砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,划分岩石的应力松弛阶段,分析岩石的应力松弛特征,研究不同应变水平下岩石的应力松弛速率、径向应变、体积应变以及松弛模量随时间的变化规律,探讨岩石应力–应变等时曲线特征,系统地揭示粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性。选取Burgers模型来描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,采用LM-NLSF法对模型参数进行辨识。对比模型拟合曲线与试验曲线,二者吻合较好,表明Burgers模型可以较好地描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,辨识得出的模型参数具有一定的实用价值。     

粉砂质泥岩峰前、峰后应力松弛特性试验研究

采用分级加载方法,对三峡地区巴东组粉砂质泥岩开展峰前、峰后三轴压缩应力松弛试验。依据试验结果,分析峰前弹性段、屈服段,峰后应变软化段、残余强度段岩石应力松弛量、应力松弛度、松弛稳定时间以及应力松弛速率的变化规律,研究峰前、峰后不同阶段岩石应力松弛特征的差异。引入损伤变量对三参量广义Kelvin模型进行改进,建立岩石的非线性应力松弛损伤模型。应用Levenberg-Marquardt算法,辨识得出岩石的应力松弛损伤模型参数。基于辨识结果,分析峰后破裂对岩石应力松弛模型参数的影响作用,研究峰前、峰后不同阶段岩石应力松弛模型参数的变化规律。在试验研究成果的基础上,总结得出峰前、峰后岩石不同的应力松弛机制。研究结果表明:(1)峰前、峰后各阶段中,峰后应变软化段试样的应力松弛量大,应力损失程度高,松弛稳定时间长,应力松弛速率快,工程实践中应尽可能避免使岩石处于峰后应变软化段。(2)峰后各级应变水平试样的G1,G2,H1参数值为峰前0.20%应变水平相应参数值的1%~53%,峰后岩石的应力松弛模型参数值急剧降低。(3)峰后形成的宏观破裂对试样的黏弹性力学特性影响最大,黏性力学特性其次,而对试样的瞬时弹性力学特性影响最小。(4)峰后应变软化段试样的G1,H1模型参数值大幅降低,峰前屈服段试样的G2模型参数值大幅降低。(5)峰前岩石的应力松弛主要是由于岩石内部微裂隙的产生、扩展等原因而引起的,峰后岩石的应力松弛主要是由于岩石中宏观裂纹的产生、扩展以及贯通等原因而引起的。峰前、峰后岩石的应力松弛机制不同。     

粉砂质泥岩常规力学、蠕变以及应力松弛特性的对比研究

 在相同围压下,对饱和粉砂质泥岩分别进行常规三轴压缩试验、三轴压缩蠕变试验以及三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,比较3种力学试验得出的岩石试样轴向强度大小以及轴向峰值应变大小,并从岩石破裂机制方面解释岩石强度以及变形差异产生的原因。采用Burgers模型描述粉砂质泥岩的蠕变与应力松弛特性,依据模型参数辨识结果,比较常规力学试验得出的剪切模量G与Burgers蠕变模型和应力松弛模型得出的瞬时剪切模量G1大小关系,并比较Burgers蠕变模型与应力松弛模型对应参数值之间的大小关系。研究结果表明：(1) 粉砂质泥岩试样的瞬时强度最大,蠕变长期强度其次,松弛长期强度最小。(2) 常规力学试验中试样的轴向峰值应变最大,应力松弛试验中试样的轴向峰值应变其次,蠕变试验中试样的轴向峰值应变最小。(3) 常规力学参数G值与Burgers蠕变模型和应力松弛模型参数G1值相差较大,分别是蠕变模型和应力松弛模型参数G1值的64.5,86.8倍。(4) 对于G1,G2,?1,?2这4个参数,蠕变模型辨识得出的参数值均较应力松弛模型辨识得出的参数值大。2种模型的G1参数值大小接近,而其他3种参数G2,?1和?2,采用2种模型辨识得出的参数值差别较大,相差1～2个数量级,其中G2参数值相差最小,?1参数值相差最大。与剪切模量G1,G2参数值相比,2种模型的黏滞系数η1,η2参数值相差较大,表明?1,?2对岩石蠕变与应力松弛特性的影响较大。(5) 粉砂质泥岩蠕变与应力松弛模型对应参数的比较结果,证明所得出的岩石蠕变与应力松弛模型参数的正确性,与线黏弹性材料不同,岩石的蠕变特性与应力松弛特性是不等同的,不能简单地由岩石的蠕变特性推导得出其应力松弛特性。     

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。     

一种新的岩石非线性流变损伤模型研究

传统岩石流变模型由线性元件组合而成,不能很好地描述流变过程中的加速流变阶段,通过分析岩石流变过程中微裂纹的压闭和扩展过程,将损伤力学引入岩石流变模型中,采用Kachanov提出的损伤律,将岩石流变过程分为阶段一（衰减、稳态蠕变阶段）和阶段二（加速蠕变阶段）两个部分,推导了岩石在两阶段中损伤演化方程,通过参数敏感性分析发现应力水平的大小对损伤演化过程有较大影响。结合有效应力观点建立了岩石非线性损伤流变模型,该模型能较好的描述岩石的衰减、稳态和加速流变阶段,同时简要分析了模型的松弛特性。采用该岩石非线性损伤流变模型对泥岩在围压为5 MPa与轴向偏应力水平为43 MPa的蠕变试验结果进行了模拟,验证了损伤流变模型的合理性,保持其他参数不变,更改应力水平的大小,得到不同应力水平下的非线性损伤蠕变模型曲线,与试验结果较为相符,     

水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究

基于三维数字图像相关技术,采用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,开展孔隙水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究。结果表明：(1)径向应变场中局部微裂纹损伤发育并相互贯通是引起脆性岩石应力松弛时效失稳破坏的主控因素。(2)松弛应力水平位于岩石微裂纹稳定发育和微裂纹不稳定发育阶段时,孔隙水压的增加,能显著提高岩石的应力松弛量和径向应变变化量,缩短岩石时效破坏寿命。(3)松弛破坏试样应力–时间曲线和径向应变–时间曲线呈“阶梯式”变化趋势,及两者的速率–时间曲线呈现“漏斗形”演化趋势,其实质均反映了岩石应力松弛过程中微裂纹损伤发育扩展和相互贯通。(4)松弛破坏试样破裂面裂纹发育以沿晶裂纹为主,且相互之间汇集、贯通,胶结基质破碎严重,胶结结构丧失,脆性岩石应力松弛时效破坏实质是受裂纹发育扩展所控制。     

饱水对煤层顶板碎石压实特征影响的试验研究

为了研究饱水对煤层顶板碎石压实特征的影响,利用自制装置对义马新安矿3#煤层顶板泥岩、砂质泥岩和砂岩,在自然和饱水状态、压实应力为垂直应力1.5倍(27 MPa)条件下进行压实试验,得到3种岩石6种块径碎石压实试验的应力–应变关系。研究结果表明:水对不同强度碎石的作用不同,对低强度泥岩的作用较强,对高强度砂岩的作用较弱,中等强度砂质泥岩介于二者之间;水对小块径碎石压实性的影响程度要大于大块径;岩块强度与残余碎胀系数降幅、残余空隙率降幅以及压实度降幅均呈负相关,二者均具有良好线性关系;与自然状态相比,饱水后泥岩、砂岩和砂质泥岩的残余碎胀系数平均降幅依次为14.21%,9.24%和11.10%,压实度平均降幅依次为9.47%,5.05%和8.56%。     

水泥土流变特性的试验研究

利用土体流变试验机对温州地区水泥土进行了流变试验,研究结果显示:水泥土具有较强的流变性,水泥土的流变特性随轴向应力水平的增大而加剧;同一围压下,轴向应力水平越大,应变速率也越大;水泥土的瞬时变形非常显著;随着围压的增大,流变变形有减小的趋势,围压对水泥土的流变变形起限制作用。水泥土的流变特性可以采用经验模型和三维Burgers模型进行描述。对水泥土的电镜照片进行分析,发现水泥土内部存在着许多裂纹、孔隙等初始损伤。随着应力水平提高,水泥土体内部出现新的损伤;应力水平越大,持续时间越长,损伤积累越多,因此水泥土流变特性随应力和时间增加而加剧,稳态速率增加。     

干燥与饱水状态下炭质板岩蠕变特性研究

采用分级增量循环加卸载方式,对兰渝铁路木寨岭二期隧道炭质板岩进行干燥与饱水状态下的蠕变试验。结果表明:无论干燥状态还是饱水状态,在各种应力水平作用下,岩石试件均产生了可恢复的瞬时弹性应变、不可恢复的瞬时塑性应变、可恢复的粘弹性应变以及不可恢复的粘塑性应变;水对岩石瞬时变形的影响主要表现在瞬时塑性应变方面,对瞬时弹性变形的影响不大;在蠕变变形方面,水对岩石黏弹性影响显著,对粘塑性应变的影响较小。根据岩石蠕变特点,选用Burgers模型描述炭质板岩流变特性,蠕变试验曲线与理论曲线吻合较好。     

北山花岗岩热粘弹性流变特性分析

采用改进的岩石热粘弹性流变模型研究了我国甘肃北山花岗岩在温度影响下的流变特性,给出了流变模型参数在不同温度和时间影响下的变化规律,分析了北山花岗岩蠕变参数(蠕变柔量、蠕变行为时温影响因子、延迟时间)和松弛参数(松弛模量、温度对松弛行为的影响因子、松弛时间)及其随温度的变化规律。     

温、湿度对粉砂质泥岩单轴力学性能的影响试验

为研究粉砂质泥岩经温、湿度作用后单轴力学性能的变化,开展变温循环试验、浸水试验以及浸水条件下的变温循环试验,得到粉砂质泥岩在不同温、湿度作用下的应力-应变曲线,并分析其单轴力学指标的变化规律。试验结果表明：粉砂质泥岩单轴抗压强度与超声波速呈正相关;天然粉砂质泥岩的峰前应力-应变曲线符合塑-弹-塑性岩石的特征;干燥粉砂质泥岩经历变温循环后,单轴抗压强度、弹性模量及劈裂强度均降低,且其降幅与循环次数、变温方向、温差变幅相关;恒温浸水时,粉砂质泥岩的轴向膨胀率和含水率在初期增长较快,后期逐渐趋于平缓,且单轴抗压强度、弹性模量及劈裂强度均随含水率的增大而降低;温、湿度共同作用于粉砂质泥岩时具有增效作用,作用效果大于温、湿度单独作用效果之和;粉砂质泥岩在单轴受压破坏后,根据其特征可分为六种破坏形态,且不同破坏形态的出现与含水率、拉压比相关。     

泥岩蠕变损伤试验研究

 在岩石蠕变过程中,施加载荷超过某个应力水平后,其强度会随着时间和应力逐渐降低,这种损伤规律可以定量地用岩石基本力学参数如弹性模量E、黏聚力c和内摩擦角j 降低的多少来反映。对宝鸡市秦源煤矿泥岩进行8个不同应力水平、3个不同时间段蠕变试验,采用单试件法测得泥岩蠕变过程中各力学参数E,c,j的变化值,对试验数据进行分析,建立该泥岩E,c,j随应力水平、长期强度及时间的耦合函数关系,它们之间呈指数衰减变化。分析耦合函数中各个系数的特点,得到泥岩力学参数损伤规律的通用表达式,式中各参数物理意义明确,测试简单。其研究结果为建立岩石损伤流变本构模型奠定基础。     

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。     

盐岩蠕变特性温度效应的实验研究

对经历不同温度后的盐岩蠕变特性进行了实验研究,研究了应力水平和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了其稳态蠕变率本构方程。分析结果表明:偏应力和温度对盐岩稳态蠕变率影响较大;稳定蠕变应变率本构方程是作用在盐岩上的应力偏量的幂次函数和能量与温度的指数函数。并从盐岩蠕变模量随蠕变时间的变化规律入手,导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演化方程和用损伤表示的蠕变模量演化方程。     

饱水状态下隧道围岩蠕变力学性质的试验研究

含水状态是影响岩石蠕变力学性质的一个重要因素，隧道开挖后因渗流路径的增加将改变围岩的含水状态，且使围岩力学性质遇水弱化，以浙江省上三线高速公路任胡岭隧道工程勘探岩样为研究对象，通过干燥和饱水两种状态下岩石蠕变试验结果的对比，探讨了岩石蠕变受含水状态影响的规律性，并根据广义Kelvin模型求得了两种状态下岩石蠕变的模型参数，分析了模型参数变化的规律性。     

疏松粉细砂无填料振冲加固机理研究

无填料振冲法加固粉细砂地基较为少见。结合上海市某重点工程,通过现场试验研究粉细砂的无填料振冲加固特性,包括对初始地下水位影响特点、孔隙水压力消散规律、静力触探和标准贯入效果进行深入分析。结果表明:初始地下水位过低对粉细砂加固不利,振冲过程中产生的孔隙水压力与振点和振冲次数关系密切,振冲加固后地基承载力明显提高。总结试验结果,提出了基于疏松粉细砂的工程特性和合理施工工艺和技术参数,研究结果定性验证了无填料振冲法加固粉细砂的适用性。     

酸腐蚀下粉砂质泥岩力学特性及细观机理研究

为探究酸性环境下粉砂质泥岩宏观力学性质变化规律与孔隙变化规律及其内在联系,对不同pH值条件下不同腐蚀时间的粉砂质泥岩试样开展单轴压缩试验、电镜扫描试验及能谱分析试验,得到了不同溶液pH值与不同腐蚀时间对粉砂质泥岩试样宏观力学性质及细观损伤特性的影响规律。结果表明:(1)随着溶液pH值的减小及腐蚀时间的增加,试样的单轴抗压强度及弹性模量显著降低;(2)孔隙率及次生孔隙率显著增大,断口表面越来越粗糙;(3)粉砂质泥岩试样受酸溶液腐蚀机制主要是岩体内Al₂O₃等化合物与酸性溶液中的H⁺发生化学反应,从而引起试样的宏观力学性质劣化。