川中红层泥岩时效膨胀变形特性试验研究

四川盆地及周边山地广泛分布俗称为"川中红层"的侏罗系泥岩,是一种典型的软岩,其强度低,易风化崩解,流变特性显著,具有一定的膨胀特性,是引起该地区多处高速铁路路基长期持续性上拱变形的一个重要因素。为揭示红层泥岩在浸水条件下的时效变形特性,以川中红层典型泥岩为对象,在室内开展原状岩样浸水物化膨胀性试验,分析红层泥岩的吸水膨胀变形随时间的变化规律及其影响因素。试验结果表明,常规膨胀性指标显示川中红层泥岩为非膨胀岩,或仅具有弱膨胀性,原状岩样吸水膨胀率较小,但具有显著的时间效应;采用类Kelvin体建立红层泥岩膨胀蠕变模型,模型参数K和η可有效度量膨胀蠕变的极限应变及黏滞特性;原状岩样的结构性是影响其吸水率的重要因素,通过岩屑筛分试验获得最大含量粒组颗粒粒径dmax、细粒和微粒质量占比ω1.0和有效粒径d10三个参数,可以定量判断泥岩的吸水特性和膨胀特性,dmax越小、d10越小、ω1.0越大,则泥岩的吸水率越大,膨胀性越强。研究成果对川中红层泥岩地层高速铁路路基长期持续性上拱变形的机制认识及治理方案论证具有参考作用,并为红层泥岩物理、水理及力学特性及其相互关系的定量研究提供基础。     

红层填料路堤变形研究

 对于高速铁路而言,路基的变形分为3类：(1) 运营阶段行车引起的基床累积下沉;(2) 列车行驶中路基面的弹性变形;(3) 路基本体填土及地基的压密下沉。而红层填料工程性质较差,易崩解,强度低。将红层粉碎到粒径小于2 mm,压实度为95%,并对基床采用3种不同的方法强化结构,通过室内蠕变和振动试验,对路堤的长期沉降和振动作用下的变形进行分析,论证采用红层作为填料在经过一定的施工工艺后能满足高速运营的要求。     

高铁地基低黏土矿物泥岩微膨胀性定量评定研究

微膨胀性地基红层泥岩遇水引起的高速铁路无砟轨道路基上拱,已成为当前阻碍中国高速铁路发展又一关键因素,合理评定低黏土矿物泥岩微膨胀性对高速铁路设计和施工具有重要意义。以兰新高速铁路为依托选取等效蒙脱石含量、阳离子交换量、自由膨胀率和液限为微膨胀性判别指标,通过大量现场地基泥岩钻孔实测资料,提出了地基泥岩微膨胀潜势分级标准,采用改进层次分析法、基尼系数法和相对熵理论确定了判别指标组合权重,基于线性综合评定法建立了泥岩微膨胀性定量评价模型。结果表明:判别指标间有一定线性关系,其作为泥岩判别与分级指标具有较好分类特性;泥岩微膨胀潜势分级标准可实现94%样本的3项指标一致性;线性综合评价法克服了同一试样不同指标属于不同等级判别缺陷,可使泥岩微膨胀性进行量化,并得出了泥岩微膨胀潜势定量分级标准;通过室内膨胀力试验验证了泥岩微膨胀性定量评定及分级方法对兰新高铁适用性。研究成果对类似地质条件高速铁路路基长期持续上拱变形的工程控制措施提供理论依据。     

乌蒙山区红层软岩滑坡地质演化及灾变过程离心机模型试验研究

乌蒙山区由砂岩、泥岩、页岩等组成的缓倾角红层软岩分布广泛,软质岩石与硬质岩石形成的互层状结构体易形成滑坡。针对该类滑坡,以花生地滑坡为例,采用地质分析与离心机模型试验相结合的方法,对降雨作用下滑坡地质演化和灾变过程进行研究。研究表明,红层软岩具有易软化蠕滑,风化崩解等地质力学特性。岩体损伤与水软化效应耦合作用是影响红层软岩斜坡稳定性主要因素,斜坡岩体受地震、河谷下切等地质作用产生深部裂隙,同时裂隙的贯通促进降雨入渗,导致滑带饱水软化、加速蠕变变形至失稳。最终在暴雨形成水动力失稳破坏。滑坡地质演化和灾变过程可分为原始斜坡→岩体损伤劣化→水软化蠕滑→降雨诱发失稳破坏4个阶段。研究成果为降雨型红层软岩斜坡稳定性机制分析及工程治理提供参考。     

红层地区高铁路堑基底上拱等级预测研究

轨面平顺性是高速铁路安全运行的重要保证。近年来,四川红层部分高速铁路(客运专线)出现路基上拱病害,致使轨面不平顺并影响高铁正常运营。对于高速铁路无砟轨道线路,基底上拱整治十分困难,如能在铺轨前进行上拱预测,就可采取相应措施以减缓路基上拱,因此高铁路基上拱预测研究势在必行。以成渝客运专线为研究对象,在综合分析路基上拱主要影响因素的基础上,选取路基中心开挖深度、岩层倾角、砂泥岩互层关系、泥岩饱和单轴抗压强度、泥岩膨胀性5个评价指标,采用熵权法确定各指标权重,运用功效系数法建立高铁红层路基上拱等级预测模型。将该模型应用于成渝客专和沪渝蓉高铁建设前期主要上拱段及上拱等级预测,验证了该模型的可行性与实用性。     

红层软岩变形特性及基床系数取值试验研究

岩体变形特性及基床系数与基础内力、最终变形量和变形的均匀性直接相关,合理确定基床系数值对高层特别是超高层建筑至关重要。以成都市某超高层建筑论证为依托,针对建筑物持力层中风化泥质软岩,在井下平洞内进行不同压板尺寸和形状的平板载荷试验,并取得原位试样进行室内岩块单轴抗压强度、常规三轴压缩试验和直接剪切试验,根据室内及原位试验资料分析了岩体单轴抗压强度、弹性模量、承压板尺寸与基床系数的关系。结果表明:地基基床系数具有随地基岩石单轴抗压强度增加而增加的趋势;较小承压板试验数据离散性较大,较大压板试验数据离散性较小;如果红层软岩基床系数按照规范建议的黏土或砂土经验公式进行修正,会引起较大误差;红层软岩(中等风化泥岩)地基的基床系数与载荷板尺寸间呈双曲线型经验关系,据此建议对建筑物红层软岩地基基床系数进行修正;对红层软岩采用500mm方形承压板试验获取的基床系数离散性较小。     

红层软岩顺层滑坡临滑预报的强度控制方法*

 我国西部地区侏罗系、白垩系、第三系红层软岩广泛分布,红层软岩岩体强度低、抗风化能力弱、水敏感性强、工程地质性质较差、滑坡灾害严重。红层软岩顺层滑坡赋存的地质环境条件是形成滑坡的控制性因素,岩体强度特征决定滑坡的力学变形机制。不同变形、破坏条件影响红层软岩滑坡运移机制与特征。红层软岩岩体强度各向异性规律性强,岩层层面在各种地质营力的长期作用下逐步演化为滑动面。在研究红层软岩不同破坏条件下岩体强度特征与岩层层面抗剪强度变化规律,分析红层软岩滑坡的蠕动变形与滑动面形成机制的基础上,通过对典型红层软岩顺层滑坡临滑预报实例分析,提出了一种红层软岩顺层滑坡临滑预报的强度控制方法。     

循环荷载下红层泥岩的动力特性及路用性能研究

 为验证达成(达州--成都)线红层泥岩能否满足高速铁路路基填料的要求,对其进行室内动三轴试验和红层泥岩路基的现场循环加载试验。由动三轴试验研究红层泥岩在循环荷载下的动强度和变形特性,引入动应力水平的概念,得到达成线红层泥岩的临界动应力水平约为30%;通过分析动剪应力比SRd与土体累积变形之间的关系,提出一个红层泥岩循环累积变形的计算模型,并明确模型参数的物理意义及确定方法。现场循环加载试验表明,用红层泥岩填筑路基基床底层,路基的沉降量和沉降速率均能满足高速铁路的要求;应用所提出的预测模型来计算红层泥岩路基层的累积变形,其达到稳定时的计算值和实测值很接近,但由于现场和室内试验条件的不同及加载频率的影响,在变形稳定以前,模型计算值和实测结果之间存在一定的差异。     

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。     

强震后软岩隧道变形与破坏机制分析

强震后软岩隧道的变形和破坏特征与一般隧道不同。根据“5.12”强震区唐家山隧道围岩变形与应力监测数据,对震后软岩隧道变形与破坏机制进行了分析。研究表明:(1)震区软岩隧道变形空间分布不对称,水平收敛是拱顶沉降的2~4倍,这是震后软岩的扩容性质和隧道所处的垂直方向高地应力环境所共同决定的;(2)隧道变形的空间效应约束范围为2~3D,在开挖面约束范围内,变形是空间效应和时效应的耦合;(3)隧道不同部位的围岩变形与破坏方式与围压性质密切相关,边墙处围岩在“形变压力”作用下易发生松弛大变形;拱部一定范围内的岩体存在整体下沉现象,拱部围岩易被架空而形成“松散压力”并诱发位移突变和破坏。研究对同类工程具有一定参考价值。     

分级加载条件下红层软岩蠕变特性试验研究

 岩石的蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,很大程度上控制着岩体工程的稳定性。本文采用CSS–44100型电子伺服万能试验机在分级加载条件下对甘肃引洮输水工程7#试验平硐红层软岩进行了一系列单轴压缩蠕变试验。通过对试验数据的整理与分析,发现红层软岩存在显著的蠕变特性,符合伯格斯模型(Burgers model),并求取了不同应力水平下的蠕变参数。通过测定试样含水率,研究含水率对红层软岩强度和蠕变特性的影响。发现含水率越高,抗压强度越低,蠕变量越大,蠕变率也越大,达到稳定的时间也越长。试验结果表明,红层软岩蠕变试验曲线与理论曲线基本吻合,伯格斯模型(Burgers model)能较好的描述红层软岩的蠕变特性。     

红层软岩变形特性试验研究

 以沪蓉西高速公路工程中发生变形破坏较多的巴东组红层软岩为研究对象,通过室内三轴压缩试验、现场承压板压缩试验及流变试验对岩体的变形特性进行系统分析。室内三轴试验分别对自然和饱水状态下的岩体进行分析研究,建立考虑结构面闭合变形的红层软岩弹性本构模型,并分析水对岩体变形特征的影响;现场承压板试验分别对泥质含量不同的2处岩体进行压缩试验,分析其变形特性的异同,同时对其中一点在外荷载作用下内部岩体的应力分布以及位移影响范围和深度进行探讨,并对循环荷载作用下岩体的变形特性进行分析;流变试验在3级不同荷载下进行,通过试验结果建立考虑结构面闭合变形的流变本构模型。通过以上一系列分析研究,从整体上把握巴东组红层软岩的变形特性,为深入研究该岩体其他特性打下基础,同时对该类岩体组成边坡,尤其是对反倾边坡的设计具有重要的指导意义,也为预应力锚索在该类岩体边坡中的加固效果研究提供参考。     

Energy-based insight into characterization of shakedown behavior of fully weathered red mudstone

Weathered Red mudstone is widely distributed in Sichuan basin. The compacted weathered red mudstone has been used as subgrade fill materials of high-speed railway in southwestern of China. Dynamic responses of such materials under cyclic loading are critical to long-term stability of subgrade. Shakedown concept is widely employed in characterizing the permanent deformation behavior of soils. According to the evolution of axial strain (Werkmeister’s theory) or unit dissipated energy (Tao’s theory) with loading cycles, the behavior of unbound granular materials can be classified into three categories: plastic shakedown, plastic creep and incremental collapse. However, both theories are more suitable for the unbound granular materials with some limitations when used to separate the plastic creep and incremental collapse behavior. To overcome the limitations of the current theories, 26 cyclic triaxial tests were conducted on a saturated fully weathered red mudstone (SFWRM) to study the evolution of axial strain and unit dissipated energy during cyclic loading. A clear dependency of axial strain, axial strain rate on the unit dissipated energy level under various cyclic stress states were observed. A new criterion which is based on the responses of unit dissipated energy with cyclic stress ratio, was proposed to determine the limit between plastic creep and incremental collapse. Comparing with Werkmeister’s criterion and Tao’s criterion, the proposed criterion showed a better performance in identifying the incremental collapse behavior of the SFWRM.     

Computational method of large deformation and its application in deep mining tunnel

The characteristics of deep rock mass, such as the elastic resilience, creep, stress release, expansion, dilation and the long-term strength, are of great importance to the rock mass deformation and failure mechanism. However, there is not yet a constitutive model which can describe all these properties of the deep rock mass. The proposed dynamic failure constitutive model in this paper analyzes the elastic resilience and the dilation deformation of the surrounding rock mass during the unloading process, and the pre-peak (elastic and internal frictional hardening stages) and the post-peak(softening and residual failure stages) stages are also taken into account. A computational software has been coded based on the dynamic explicit finite element method. The constitutive model has also been implemented into this software. The complete stress–strain relation using the new model in numerical unloading test was obtained. The sensitivity of the parameters of the dynamic failure constitutive model has also been analyzed. Based on the long-term monitored data for Zhuji coal mine, the parameter inversion of the two different sections of the piebald mudstone has been conducted with the nonlinear least square method. Further, the whole process simulation of the deformation of Zhuji coal mine has been performed with the inversed parameters. A high degree of agreement on the deformation has been achieved by the comparison between the calculated and the measured data in actual engineering project.     

软岩三轴蠕变特性的试验研究

采用重力加载式三轴流变仪,在低围压条件下对龙口矿区含油泥岩的蠕变特性进行三轴蠕变压缩试验研究,重点观察和分析蠕变条件下围压对岩石蠕变参数的影响,同时对其他时效变形特点进行分析.试验结果表明,含油泥岩存在一个起始蠕变应力阈值,该阈值随围压的加大呈线性增加;其蠕变破坏应力也大致与围压成比例关系,但两者随围压的增长率差异很大.含油泥岩的蠕变只有2个阶段：当轴向应力小于蠕变破坏应力时,蠕变呈衰减状态;当轴向应力大于蠕变破坏应力时蠕变转化为加速状态,但试验中没有观测到等速蠕变阶段.含油泥岩黏滞系数较小,显示出其流动变形大的特点.虽然黏滞系数近似为围压的线性函数,但增长率远小于前两者,表明低围压对软岩的流动变形影响较弱,该结果可为蠕变型软岩巷道的稳定性控制提供一定的试验依据.     

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。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

A dissolution-diffusion sliding model for soft rock grains with hydro-mechanical effect

The deformation and failure of soft rock affected by hydro-mechanical (HM) effect are one of the most concerns in geotechnical engineering, which are basically attributed to the grain sliding of soft rock. This study tried to develop a dissolution-diffusion sliding model for the typical red bed soft rock in South China. Based on hydration film, mineral dissolution and diffusion theory, and geochemical thermodynamics, a dissolution-diffusion sliding model with the HM effect was established to account for the sliding rate. Combined with the digital image processing technology, the relationship between the grain size of soft rock and the amplitude of sliding surface was presented. An equation for the strain rate of soft rocks under steady state was also derived. The reliability of the dissolution-diffusion sliding model was verified by triaxial creep tests on the soft rock with the HM coupling effect and by the relationship between the inversion average disjoining pressure and the average thickness of the hydration film. The results showed that the sliding rate of the soft rock grains was affected significantly by the waviness of sliding surface, the shear stress, and the average thickness of hydration film. The average grain size is essential for controlling the steady-state creep rate of soft rock. This study provides a new idea for investigating the deformation and failure of soft rock with the HM effect.