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。     

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。     

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。     

双层反翘滑坡弯曲蠕变及时效变形特性研究

 为了研究双层反翘滑坡的变形破坏机制,以襄十高速公路韩家垭滑坡为背景,结合非线性蠕变模型建立考虑岩层弯曲蠕变特性的时效变形方程及平面应变条件下反翘弯曲岩层的蠕变压屈方程,对双层反翘滑坡的弯曲蠕变及变形破坏机制进行深入阐述,提出根据岩层反翘弯曲蠕变的变形速率进行滑坡稳定性评价及预测的方法,并就不同荷载水平下岩层的蠕变压屈失稳机制进行探讨,最后将分析结果与现场监测成果进行定性对比,结果表明：在雨季时,滑坡前缘岩层的荷载水平在 ＞ ＞ 之间,岩层的反翘变形逐渐累积,滑坡发生延迟性失稳破坏;在旱季时,其荷载水平为 时,滑坡处于暂时稳定状态。采用本文模型对该滑坡进行定性分析、评价合理可行。     

膨胀岩隧洞时效变形预测模型及应用

膨胀性软岩隧洞变形是一个以吸水膨胀性变形为主,蠕变、扩容等多因素影响的复杂时变问题。为了预测隧洞开挖后围岩的变形,假设隧道围岩遵循Burgers体与Hoek-Brown准则组合的黏弹塑性模型,并结合湿度场理论和非关联的流动法则,推导了膨胀性软岩遇水工况下的黏弹-塑性时效变形方程,最后根据所得的位移解析式,结合理想案例和Nabetachiyama隧道实例分析了不同参数对深埋圆形隧洞围岩位移随时间变化的影响规律。结果表明:采用的预测模型可以较好地预测膨胀性软岩在遇水工况下的时效变形,且参数相对较少,物理意义明确,识别简单,本文方法可以很好地应用于地下工程实践。     

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。     

A four-element fractional creep model of weakly cemented soft rock

The creep model is the main form used to describe the creep behavior of weakly cemented soft rock (WCSR). To investigate the creep behavior of weakly cemented soft rock, multi-stage loading creep tests were performed by using GDS HPTAS creep triaxial apparatus. The creep curves, creep rates, and creep failure modes of weakly cemented soft rock under different water contents were obtained. A novel four-element fractional-order creep model to describe the three-stage creep behavior of weakly cemented soft rock was proposed using the Abel dashpot basing on the creep test results and fractional calculus theory. The formula of this model was developed according to the H-Fox special function. The trust-region method was used to obtain the model parameters, and the parameters were optimized using the ant colony optimization approach. The creep curves of weakly cemented soft rock under different water contents were calculated and compared with the experimental results, verifying the superiority of the four-element fractional-order creep model in describing the creep characteristics of weakly cemented soft rock. The calculated results were also in good agreement with the experimental results, which confirms that the four-element fractional order creep model can accurately reflect the complete creep behavior of weakly cemented soft rock.

     

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。     

单裂隙砂岩蠕变模型参数时间尺度效应及颗粒流数值模拟研究

深部高应力环境下硬岩的蠕变变形不可忽略,尤其是裂隙岩体的蠕变变形。为研究含裂隙硬岩的长期蠕变变形行为及蠕变模型,采用高速水射流技术在红砂岩试样中预制了一条贯穿的α=45°单裂隙。确定了该裂隙岩石在围压30 MPa下的三轴压缩强度,采用单级加载方式对试样进行长期压缩蠕变试验,蠕变应力水平约为峰值偏应力的80%。试验结果表明:经历539 h(约22 d)的含45°单裂隙红砂岩只出现衰减和稳态蠕变变形,未发生加速蠕变破坏。为描述裂隙岩石的蠕变变形,在Burgers模型基础上基于有效应力原理建立了考虑损伤的蠕变模型。通过最小二乘法得到的蠕变模型参数显示出显著的时间效应,据此提出了考虑时间尺度的损伤蠕变模型,该模型可以描述裂隙岩石在不同时间尺度下的蠕变变形。最后,采用颗粒流程序PFC~(2D)对试样的三轴压缩及蠕变进行了数值模拟,数值计算结果与试验结果吻合程度较高。研究工作为进一步研究裂隙硬岩的蠕变变形和模型提供了一定的参考价值。     

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...     

蠕变作用下层状盐岩界面剪切应力变化规律研究

层状盐岩储气库在长期运行期间,盐岩层与泥岩夹层两种不同岩石材料会因较大的蠕变差异引起变形不协调,在交界面产生剪切应力导致界面滑移破损,使油气沿着界面破损通道泄漏。结合我国在层状盐岩地质构造中建设能源储库的实际情况,通过对湖北云应地区层状盐岩中的盐岩和泥岩夹层的三轴蠕变试验表明,盐岩蠕变率比泥岩蠕变率至少大一个数量级。建立蠕变本构模型,对储库长期运行期内层状盐岩界面剪切应力的分布和变化规律进行数值分析,并讨论了盐岩稳态蠕变率不同时,界面层间剪切应力的变化情况。研究结果表明,界面层间剪切应力集中分布在靠近腔体的小段范围内,其后层间剪切应力迅速降低,且随着蠕变时间的增加,层间剪切应力增加的越来越快;盐岩的蠕变特性越好,层间剪切应力越大,当界面剪切应力达到界面抗剪强度时,就会发生破坏。蠕变试验和数值模拟结果,对于层状盐岩渗漏稳定性和密闭性研究具有重要指导意义。     

Creep Behavior of Tuffaceous Rock at High Temperature Observed in Unconfined Compression Test

Geological disposal in soft rocks is expected as one of the most practicable methods for isolation of high-level radioactive wastes. Since the country rock around the deep tunnels tends to be heated for a long term due to continuous collapse of nuclides, creep behavior of the soft rocks of impermeable nature under high temperature should be studied. Under different temperatures from 24°C to 95°C, a series of unconfined compression tests was conducted on a tuffaceous rock, Ohya stone, at creep stress ratios ranging from 0.6 to 1.0. The results show that the creep behavior is accelerated by high temperatures over 60°C. That is, for higher temperatures, the time to failure is decreased, while the minimum strain rate is increased. A creep model is then presented, in which attention is paid to the change in strain rate with time. Unique relationships between the minimum strain rate and various creep parameters are used, that appear to be dependent on neither creep stress ratio nor temperature. According to the proposed model, the creep failure will not take place if the creep stress ratio is lower than 0.44.     

大岗山水电站坝区辉绿岩脉压缩蠕变试验研究

压缩蠕变试验是了解坝区软弱岩体蠕变变形特性的重要手段,是建立岩体压缩蠕变本构模型的基础。详细介绍大岗山水电站坝区辉绿岩脉大型刚性承压板压缩蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析压缩蠕变变形随时间的变化规律;利用蠕变试验数据回归拟合得到坝区辉绿岩脉的压缩蠕变经验方程,为深入认识和了解大岗山水电站坝区辉绿岩脉的流变力学特性提供重要的试验和理论依据。     

构皮滩软岩流变模型原位载荷蠕变试验研究

针对构皮滩水电站破碎页岩进行2点原位刚性承压板载荷蠕变试验,采用1级循环加载方式,试验压力为工程应力水平,试验历时1686,2299 h。试验揭示了该软岩如下蠕变特性:在工程应力下,岩体经历起始阶段减速蠕变和682,910 h较长时间的等速蠕变后,蠕变速率趋于零,总体呈衰减蠕变,并不发生塑性流动;卸荷后,经历瞬时回弹、弹性后效,存在较大的残余变形,残余变形大于总变形的50%。提出一种加载呈弹性、卸载不回弹的单向弹簧元件[HI]描述残余变形,将其与广义Kelvin模型串联组成变异广义Kelvin模型,该模型结构简单,可综合描述软岩加载呈衰减蠕变、卸载存在较大残余变形的蠕变特性。视岩体体积变形为弹性、畸变遵循变异广义Kelvin模型,基于相应性原理推导了岩体表面蠕变方程,以岩体蠕变方程拟合试验蠕变曲线,得到了模型参数。     

巴东组红层软岩缓倾顺层边坡破坏机制分析

 在对边坡岩体进行一系列工程地质特性试验研究的基础上,以该类边坡最常见的平面滑动模式建立潜在滑动面上不同位置的稳定性系数表达式,结合实例计算分析边坡开挖对其稳定性的影响,并对潜在滑动面软弱夹层的剪切流变过程进行分析。分析结果表明,巴东组红层软岩缓倾顺层边坡的破坏是从坡脚开挖开始到潜在滑动面,由等速蠕变到加速滑动的渐进过程,期间伴随着坡脚岩体的崩解、节理裂隙的扩展延伸和地表水沿裂隙下渗软化潜在滑动面等因素的共同促进作用。在掌握该类边坡破坏机制的基础上,对其加固方式和施工组织提出相关建议,研究成果对同类型边坡的设计和施工具有重要的参考意义。     

蠕滑型边坡动态稳定性系数实时监测及其位移预警判据研究

 滑坡的蠕滑位移过程本质上就是滑坡岩土体的损伤变形演化过程。因此,在系统分析蠕滑型边坡不同蠕滑变形阶段的变形演化特征与损伤破坏机制基础上,运用损伤力学基本原理,探索和揭示边坡蠕滑变形与其稳定性系数的相互内在联系,确定边坡的蠕滑位移与其坡体损伤变量及其稳定性系数的定量关系,并依此建立基于边坡蠕滑位移参数确定其动态稳定性系数的方法;同时,依据位移–时序曲线切线角速率和加速率参数变化规律,研究和确定基于安全系数的边坡稳定性位移监测预警判据 和边坡安全稳定预警时间 。最后,以典型鸡鸣寺滑坡为例,运用蠕滑型边坡动态稳定性系数与位移监测预警判据,对该滑坡的稳定性演化过程进行后验分析与评价,并同时与斋藤迪孝法预测结果进行对比,其分析评价结果与该滑坡实际稳定演化规律基本吻合,表明所提出和确定的有关位移监测预警判据参数,在蠕滑型边坡的稳定性评价与预测中具有一定的实用性和有效性。     

顺层震裂斜坡降雨触发灾变机制及稳定性分析——以三溪村滑坡为例

 震裂斜坡作为震后灾区潜在的高危地质灾害承载体分布广泛,尤其在雨季突发失稳的现象突出。针对该类灾害,以三溪村滑坡为例,通过现场详细调查,采用Seep模块探寻降雨作用下斜坡的水响应规律,并通过室内试验获取不同条件下的强度参数。在此基础上,对降雨触发型震裂斜坡变形破坏的机制模式进行归纳,参照滑坡所处实际情况建立相应的水力学模型,量化计算斜坡稳定性系数。研究表明：(1) 顺层震裂斜坡灾变过程可分为原始斜坡–地震损伤–蠕变弱化–降雨触发–滑坡失稳5个演化阶段。(2) 降雨是岩体形成深部裂隙、节理扩展从而切割岩体呈条块状的重要原因,同时裂隙的贯通促进了降雨入渗,导致滑带饱水软化、加速蠕变变形至失稳。(3) 降雨与震后蠕变效应的耦合作用是影响坡体稳定性的主要因素,经历前期的降雨饱水软化以及同期的蠕变累计变形,最终在暴雨形成的水动力触发下失稳破坏。研究成果为降雨型震裂斜坡稳定性机制分析及工程治理提供参考。     

不等厚互层顺层磷矿高边坡变形机制研究

以云南晋宁磷矿东采区顺层高边坡为研究对象,通过现场勘察,对现场滑坡形态、破坏情况、滑面及滑体特征等进行分析,并从地质、力学角度上分析滑坡变形破坏特征、力学机制及滑坡演化形成过程。最后采用离散元分析验证。研究结果表明:滑坡变形破坏模式为滑移—拉裂破坏,降雨及磷矿开采是滑坡滑动的重要诱因。磷矿层开采坡前缘切断岩层,形成临空面,岩体卸荷松弛发育裂隙,雨水下渗到全风化粘土层面附近富集,层间含水化强的物质,在长期浸泡软化、不等厚互层差异风化等作用下,岩体力学性质大幅衰减,滑体沿软弱层面向临空方向滑动,坡体后缘岩体被拉开,形成张拉裂缝,软弱滑动面贯通,边坡发生变形破坏,主要是以岩石的拉张破坏为主,拉应力对岩石的破坏起主导作用。从计算的位移、滑动形态、变形速率及应力分布判断,滑坡的变形机制为滑移—拉裂破坏模式。其研究成果为矿区高边坡稳定性分析及加固设计提供一定参考依据。     

节理岩体黏弹塑性流变破坏模型研究

 针对岩块与节理面的黏弹塑性流变破坏模型问题开展研究。首先提出流变瞬时强度概念,以此为基础建立岩石和节理面的非线性黏塑性流变破坏模型的一般形式,并以岩石单轴压缩蠕变破坏试验为例,分析模型描述黏塑性变形破坏的特点。然后,建立岩石完整的黏弹塑性流变破坏模型,分析其描述蠕变和松弛的特性;研究参数 对于调节岩石流变破坏过程的作用,显示模型模拟脆性–延性流变破坏的特点。与大理岩单轴压缩蠕变破坏试验进行对比,结果表明提出的模型与试验结果吻合很好,可以很好地反映岩石蠕变破坏过程。进一步对节理面的黏弹塑性流变破坏模型进行讨论,并与灌水泥浆大理岩节理的剪切蠕变试验对比,结果表明模型也能很好地反映节理面蠕变破坏特点。最后,将建立的流变破坏模型应用于大岗山引水隧洞的流变破坏分析,确定其流变破坏过程和流变破坏时间,可为进一步喷锚支护设计提供依据。针对岩石和节理面所建立的黏弹塑性流变破坏模型概念明确,能正确模拟岩石和节理面的流变破坏过程和判断破坏时间,且参数为常规试验所得,将具有良好的应用前景。     

软岩允许变形合理值现场估算

现场实测了巷道围岩两帮及顶底相对变形随时间的变化,分析了围岩变形不同阶段巷道围岩表面变形随时间的变化规律,结合支架受荷测量确定了一种软岩允许变形合理取值的简单可行现场确定方法,为充分发挥软岩自撑能力和合理确定U型棚支架支护参数提供了依据。