COx黏土岩三轴压缩蠕变特性及速率阈值试验研究

 黏土岩具有低渗性和自我裂缝修复能力等优点,被用于高放废物地质处置的候选基岩。出于高放废物处置库的长期性及高安全性要求,研究黏土岩的蠕变破坏特征显得极其重要。通过一系列黏土岩的单级三轴压缩蠕变试验,获得Callovo-Oxfordian(COx)黏土岩较为精确的蠕变速率阈值范围。试验结果表明,发生蠕变破坏的蠕变速率阈值与黏土岩的湿度及所处围压等因素有关。总体上,当轴向蠕变速率低于2.5 µε/h,该类黏土岩很难发生蠕变破坏;但若高于58 µε/h,则黏土岩极易发生加速蠕变破坏;而处于两者之间的速率值,目前试验尚无明确结论。该阈值可用于在稳定蠕变阶段判断黏土岩是否会出现加速蠕变破坏。     

一维压缩蠕变前后软土的微观结构变化

软土在蠕变前后微观结构的演变,对了解软土的蠕变机理,探讨软土变形与时间关系以及建于软土地基上建筑物的稳定性有重要意义。对黄石地区软土进行一维压缩蠕变试验,提取原状样与蠕变破坏后土样的结构参数,对比分析这些结构参数在蠕变前后的变化规律。建议用丰度与圆形度辅助分析以更真实反映微观结构实际情况,将复杂度作为一个衡量软土在蠕变过程中孔隙或颗粒形状规则程度的重要参数。采用雷达图反映定向频率分布,可以同时对比多组数据,便于观察分布强度。研究结果表明:软土蠕变过程是结构逐渐破损,结构趋向稳定的过程;在蠕变条件下,竖直与水平方向微观异性变得不明显,孔隙变化遵循孔隙均匀化原理,小孔隙数量大量增多,孔隙与颗粒总体形状趋向扁圆形,外形更趋于"圆滑",颗粒定向性变得更有序了,而孔隙定向性变化不明显。     

高温作用下花岗岩三轴蠕变特征的实验研究

采用中国矿业大学的"20MN高温高压岩体三轴试验机",对Φ200mm×400mm大尺寸花岗岩试件在高温下的蠕变特征进行了试验研究。介绍了三维应力作用下花岗岩在高温条件下的蠕变试验方法和结果,结合理论与试验结果分析,发现了花岗岩在300℃时轴压94MPa围压75MPa时花岗岩经历蠕变的第一阶段和第二阶段,蠕变变形逐渐停滞,呈现明显的稳态蠕变的特征;在400℃,轴压125MPa围压100MPa时,呈现明显的非稳态蠕变特征。试验还揭示了花岗岩的蠕变性随温度和应力的升高而增强,蠕变性态转变的温度门槛值为300℃～400℃。试验结果对核废料的深埋处置长久安全性,地热能的长期稳定开发都有重要的指导意义。     

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。     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。     

双轴压缩条件下绿片岩的卸载蠕变特性试验

对绿片岩进行双轴压缩状态下的加卸载蠕变特性试验,并基于Mohr-Coulomb屈服准则得到塑性元件,将该塑性元件与六元件黏弹性流变模型组合得到复合黏弹塑性流变模型。研究结果表明,当以定侧压比同时施加轴向和侧向荷载时,轴向和侧向应变基本随着荷载等级的增加而增加;当将轴向荷载和侧向荷载同时卸载时,轴向和侧向应变均随荷载等级的不断减小而减小;卸载前后的应力水平差越大,不可恢复的瞬时应变也越大;蠕变试验曲线和理论模型曲线较吻合,说明复合黏弹塑性流变模型能较好地描述绿片岩的蠕变特性。     

软岩非线性蠕变模型研究

以工程实际中广泛应用的元件组合模型为基础,通过引入损伤变量和硬化变量,建立了一个软岩非线性蠕变模型。分析认为,Maxwell体等价于一个线性损伤的虎克弹性体,Kelvin体相当于一个线性硬化的牛顿黏性体,Burgers体则是一个能同时描述线性损伤、硬化的模型。软岩蠕变过程中,其微观结构会发生变化,并导致软岩形变行为产生相应的改变,引入非线性损伤、硬化变量代替Burgers模型中的线性损伤、硬化变量,可以反映这种改变对软岩蠕变的影响。所建立的非线性蠕变模型可以用一个统一的方程描述软岩蠕变过程三个阶段的变形特征。将该模型与试验曲线进行对比,两者吻合较好。     

考虑温度和体积应力的分数阶蠕变损伤Burgers模型

盐腔是石油、天然气和高放射性核废料深地储存的理想屏蔽围岩,考虑到深地盐岩地层中温度和体积应力联合影响,基于细观概率体元强度的威布尔(Weibull)分布构建损伤变量,利用Drucker-Prager强度准则描述微观线弹性脆性破坏,引入考虑塑性损伤的广义胡克定量描述样品尺度损伤,从而建立三轴压缩条件下静态本构模型.进一步...     

大理岩三轴压缩破坏的能量特征分析

岩石材料的变形和破坏与能量的变化密切相关。利用刚性伺服系统对大理岩岩样进行了系列三轴压缩试验,基于试验结果,对大理岩在加载过程中各阶段能量变化的具体数值进行了计算和整理,研究了能量变化在加载破坏各阶段分别与围压、应力、应变的内在联系。结果表明,初始围压的增大能够相当程度上提高岩样的破坏应变能。在既定围压下,岩样在弹性变形阶段的能量变化与偏应力和应变均成正线性关系。随着初始围压的增大,岩样所吸收的能量随偏应力变化的增长速率降低,随应变变化的增长速率加快。在三轴压缩过程中,岩样在弹性变形阶段所吸收的能量占总能量的比重较小,绝大部分能量耗散于岩样的屈服变形阶段;并且随着初始围压的增大,屈服变形阶段所吸收的能量占总能量的比重提高。     

天津滨海地区两种典型软黏土蠕变特性试验研究

通过三轴蠕变试验,研究了天津滨海地区两种典型淤泥质黏土和粉质黏土的非线性蠕变特性。蠕变试验采用分级加载的方式进行,利用“陈氏法”对实测数据进行处理后得到两种软黏土在不同应力状态下的蠕变试验曲线。在此基础上,提取相关数据得到两种软黏土的应力–应变等时曲线,根据该曲线的变化规律,采用 Merchant 模型对两种软黏土的蠕变曲线进行拟合,确定模型参数,建立了适用于天津滨海地区两种典型软黏土的非线性蠕变模型。最后,对两种软黏土蠕变模型参数的变化规律进行了对比分析得出： Merchant 模型中虎克弹簧的弹性模量 E _H 随主应力差增大呈负指数规律变化, Kelvin 体的弹性模量 E _K 随主应力差增大呈线性规律变化的经验公式。     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

滨海软黏土加速蠕变特性试验研究

为了研究滨海软黏土加速蠕变特性,采用典型的滨海相软黏土进行室内蠕变和加速蠕变试验,研究不同围压、加荷比、振动频率、动应力比对软黏土蠕变特性的影响,并通过对比得出了不同试验条件下滨海软黏土的加速蠕变的变化规律。试验结果表明:滨海软黏土具有非线性应力–应变关系的流变特性,其蠕变试验曲线呈衰减型,蠕变变形大部分应变量发生在蠕变前期,变形随时间增长趋于一个定值;静载作用下,围压越大初始蠕变速率越大。初始加荷压力一致,加荷比越大破坏应力越小。循环动荷载作用下,应变在动荷载阶段变化缓慢,而动荷载结束后进入稳定阶段后应变发生突变,急剧变大最后趋于稳定;此外在不同振动频率和动应力比下试样承受荷载等级不同,均存在一个临界安全荷载,超过这个临界值试样会发生蠕变破坏现象。     

Development of a transparent triaxial cell and observation of rock deformation in compression and creep tests

A transparent triaxial cell was designed and manufactured using acrylic resin. The cell was used to conduct strength and creep tests. Photographs were taken of the specimens at constant time intervals during the constant strain rate test. Photographs were also taken at constant intervals of strain during the creep test, but this rate was changed to one image per second when the specimens first showed tertiary creep. Comparison of the axial and lateral strains during the constant strain-rate and creep tests indicated no significant differences between the two tests. It is well known that the axial creep strain rate is inversely proportional to remaining life in tertiary creep. This study showed that the lateral creep strain rate is also inversely proportional to remaining life. The constant strain-rate tests were conducted with transparent end pieces attached firmly to the upper and lower ends of the specimens. Three holes were drilled into the end pieces, and water was expelled into the holes when the specimens were compressed. It was clearly observed that the water began flowing from the holes back into the specimen during the volumetric expansion of the specimen. The transparent triaxial cell permitted easy observation of water ejection and re-absorption into the specimens.     

蠕变三轴仪的改装与验证

蠕变现象作为岩土材料的固有性质广泛存在于实际岩土工程中,是进行地基沉降及边坡稳定性分析等的一个重要因素,并成为研究的热点。系统阐述与分析了蠕变试验所涉及的试验仪器与加载方式,根据实际工程及科研对应力控制式三轴仪的需求,结合室内常规试验仪器优缺点,对常规三轴仪进行了改装,获得了可以进行应力控制的蠕变试验三轴仪。该仪器具有荷载稳定,操作方便等优点,并经试验进行了验证,具有一定推广价值。     

温控非饱和土三轴试验装置的研制及其应用

高放核废物地质处置、地热资源开采与贮存以及城市地下供热管道设计等现代岩土工程的建设都需要考虑温度的影响，使得温度对天然非饱和土体基本性质影响的研究成为土力学的重要课题之一。为了研究非饱和土水力和力学性质受温度影响的规律，需要研制新的温控试验装置，以便为这种研究提供工具和手段。基于对既有非饱和土静三轴仪的改造，研制了一种温控非饱和土三轴试验装置，通过将所研制的温控压力室与非饱和土三轴试验系统的有机结合，实现了试验过程中对温度控制及量测的目的。利用该试验装置，对不同温度下非饱和土土水特征曲线进行了测定，所得结果与现有理论结果相吻合。     

重塑软黏土固结排水三轴试验和本构模型研究

通过室内固结排水三轴剪切试验,分析了重塑饱和软黏土在固结排水条件下三轴剪切过程中的力学特性和变形特征。基于硬化参量与应力路径无关的基本假定,根据曲线积分中的格林公式,构建了新的屈服方程,并建立了一个适合于重塑饱和软黏土的本构模型。采用MATLAB软件编写计算程序,利用新建的重塑软黏土本构模型,对所采用的重塑软黏土和文献报道的Fujinomori黏土的固结排水三轴剪切试验进行理论计算。将试验结果和理论计算结果进行对比,可得出结论:新建的本构模型理论计算结果与重塑饱和软黏土的固结排水三轴试验结果较为吻合,可以较好地描述重塑软黏土在排水条件下的强度与变形特征。     

上海软土小应变三轴试验及本构模拟

软土地区新建地下工程为了减少对周边的影响,周边土体的变形通常要求控制在小应变范围内(0.001%~0.1%)。近年来随着环境要求的不断提高,软土在小应变范围内的力学特性日益受到关注。目前国内在三轴试验中测量软土小应变力学特性的研究相对较少,也缺乏相应的试验数据。利用安装有LVDT局部位移传感器的三轴仪,对上海(2)~(6)层软土进行了K0固结不排水剪切试验,成功获得了上海软土从0.001%小应变到20%大应变范围内的剪切模量变化规律。通过分别用初始剪切模量和有效平均主应力来对剪切模量进行归一化处理,揭示了上海软土的非线性特征、土体剪切模量的衰减规律等。考虑土体应力状态、孔隙比和超固结比的经验公式能够合理地描述上海软土层初始剪切模量;经典的骨干曲线模型能较好地拟合各土层的剪切模量衰减规律。     

新双室三轴仪用于非饱和土体积变化的连续测量和三轴压缩试验

介绍一台新双室三轴仪用于非饱和土体积变化的连续测量和三轴压缩试验。该双室三轴仪是对现有的内置开顶圆筒三轴仪和双墙三轴试验仪的重大改进 ,克服了存在的缺点。试验结果表明 ,体积测量相对误差不超 1.93 % ,该双室三轴仪能可靠和相当准确地自动测量土样三轴试验中的体积变化。     

冻结盐渍土三轴剪切试验过程中的损伤及压融分析

三轴剪切过程中损伤及压融等力学性质对冻结盐渍土的强度及变形影响显著。通过对-15℃德令哈含盐砂土进行一系列的三轴剪切循环试验及CT扫描试验,分析冻结盐渍土在三轴试验过程中的损伤演化以及压融量变化规律。研究发现,在三轴剪切中损伤变量随静水压力的变化而改变,在本文条件下当静水压力在1~12 MPa之间时,损伤变量随围压的增加而增加,当静水压力超过12 MPa时,损伤变量反而呈现减小趋势。同时,定义压融阈值p_s以及压融量达到最大值时对应的静水压力值p_m,研究表明:当静水压力小于p_s时,试样内部几乎不存在压融现象;当静水压力大于p_s且小于p_m时试验内部的压融量可用二次函数描述;当静水压力超过p_m时,试样中的压融量达到最大值λ_m,且压融极值点与损伤变量极值点对应的静水压力值基本一致。     

软弱围岩隧道超前预报和监控量测及质量检测

以某软弱围岩隧道为背景,详细介绍了隧道超前地质预报、监控量测及质量检测技术,根据预报和监测结果指导施工,根据质量检测结果评价施工质量,据此加强隧道施工管理,保证了隧道施工安全和质量。