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.     

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。     

软岩蠕变损伤特性的试验与理论研究

 在高地应力软岩隧道修建过程中,由于围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性。岩石的蠕变损伤与其内部微裂纹的延伸和扩展密切相关,宏观表现为蠕变过程中的体积扩容,通过对岩石扩容过程中损伤耗散能变化规律的分析,建立蠕变损伤演化方程,通过引入蠕变损伤因子对ABAQUS软件自带的蠕变模型进行修正,得到非线性蠕变损伤模型。应用所建立的蠕变损伤模型,对宜巴高速泥质红砂岩的三轴蠕变试验结果进行反演,结果表明,该模型可以很好地反映高地应力软岩在蠕变中的减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个阶段。     

关于沉积软岩固有各向异性特性的研究

利用开挖到地下50m深的试验隧洞所采集到的无风化、无扰动的式样，对东京地区常见的约2Ma前的沉积软岩(泥岩）变形特性以及强度特性进行了3方位的固有各向异性特性的研究。从室内三轴试验结果来看，现场水平方向的弹性模量和抗压强度要比垂直方向的弹性模量和抗压强度略大，但是，这种差别小于30%。因此可见，在这个地区的沉积软岩，并没有产生较大的变形以及强度各向异性特性。     

堆积软岩的强度及蠕变特性的三轴及平面应 变试验研究

 堆积软岩的力学特性是依存于应力条件的,但由于高强度岩土材料的试验难度较高,软岩的平面应变或真三轴试验比较少。采用新研制的仪器对堆积软岩进行三轴及平面应变剪切及蠕变试验。首先介绍新研制的平面应变试验仪,该试验仪可以实现初始等向固结,还可以测定试样剪切带内部或附近的孔压变化;然后介绍试验流程,包括试样的制作和饱和过程;最后对不同应力条件下软岩的应力–应变关系、应力比–剪涨比关系、蠕变破坏特性等试验数据进行详细分析。研究结果表明：平面应变状态下软岩的强度增加而剪涨量减少;相比于传统的八面体应力空间,建立在tij应力空间中的塑性势更适合软岩;无论三轴还是平面应变条件下,只有当荷载水平达到某一阈值之后软岩才会发生蠕变破坏;蠕变破坏所需时间与荷载相关。     

软岩高边坡施工变形的实验研究

通过地质力学模型实验，研究软岩高边坡在施工时，坡体内应力、变形规律，开挖影响范围，设计的支挡结构能否起到有效作用，在工程建成后在外界条件影响下坡体能否长期稳定。并将成果直接用于京珠高速公路为软岩高边坡设计施工提出建议。     

海域第三系软岩巷道蠕变控制及支护机理研究

H2101是我国第一个海下采煤工作面.巷道围岩属于第三系软岩,所以巷道支护难度非常大.根据岩石和围岩的蠕变机理以及软岩流变控制原则,建立龙口矿区北皂煤矿海域第三系软岩巷道围岩蠕变最优支护计算方法,求出软岩支护的两个重要参数,即最优(小) 支护力和围岩最大允许变形量,作为进行支护设计的重要参数,为解决海下安全开采提供了理论依据.     

泥质软岩蠕变机制研究

在分析已有岩石蠕变机制研究成果的基础上,以南宁盆地泥岩为研究对象,进行一系列单轴压缩无侧限蠕变试验和有侧限蠕变试验来分析泥岩的蠕变特性,配合扫描电镜,着重分析泥岩蠕变过程中细观和微观结构的变化并提出岩石的蠕变机制,即岩石的蠕变是岩石损伤效应与硬化效应共同作用的结果。通过构建蠕变、损伤及硬化综合曲线说明蠕变3个阶段的形成机制:第一阶段硬化效应强于损伤效应,蠕变规律主要服从于硬化效应的衰减变化规律;第二阶段损伤效应强于硬化效应,蠕变规律主要服从于损伤效应的等速变化规律;第三加速蠕变阶段的硬化效应已不显现,蠕变规律服从损伤效应的加速变化规律。泥质软岩的蠕变机制与金属材料蠕变机制在蠕变参与对象及机制方面不同。     

软岩蠕变特性及非线性模型研究

根据对单轴压缩条件下软岩蠕变特性的分析,引入损伤变量和硬化函数,建立软岩轴向和横向非线性蠕变模型。软岩轴向蠕变的典型曲线分为衰减、等速和加速蠕变3个阶段,分析认为：产生衰减蠕变的原因是岩石力学性质发生了硬化,主要是由于黏滞系数的硬化引起的;产生加速蠕变的原因是岩石发生了损伤软化,主要是由于岩石弹性模量的损伤引起的。软岩蠕变过程的3个阶段是非线性损伤和硬化两种机制并存、互相竞争的结果,采用单一的模量损伤或黏滞系数的非线性变化均不能合理地描述和解析蠕变过程的3个阶段。同时,引入损伤和硬化两种机制后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3个阶段的变形特征,也可以对蠕变过程的3个阶段做出合理解析。将该模型与泥岩及红砂岩的试验曲线进行对比,两者吻合较好。     

软岩蠕变理论及其工程应用

地下工程的施工经常遇到软岩。这类岩体抗压强度较低，具有明显的流变特性，蠕变变形量较大，常造成支护的失稳和破坏。在分析地下工程的稳定性或对地下结构设计时，应充分考虑这一特性，按流变力学理论进行分析和设计。通过现场取样，采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变试验机，并配备三轴压力室，对泥岩进行了三轴蠕变试验。试验结果表明，泥岩的蠕变具有非线性。根据试验结果，建立了泥岩的非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程，分析了围岩的应力场和位移场，并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。理论研究结果表明，控制围岩过量蠕变变形的根本途径是改善围岩应力状态，适当提高锚杆或锚索的初始预应力，从而为有效控制深部开采时围岩的有害变形提供了理论依据。     

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。     

软岩的多轴力学特性及其对拱坝的影响

与单轴试验相比，在多轴条件下，软岩(尤其是遇水软化的砾岩)的强度和刚度均有所提高。尝试利用多轴非线性模型，将砾岩在多轴应力条件下的试验成果应用于实际工程，使仿真计算结果更接近实际情况。由于考虑了围压对岩石刚度有提高的影响，非线性计算结果更安全一些，但这不足以弥补砾岩因泡水降低弹模带来的影响。此外，通过对比双轴与常规三轴试验成果，得出在低围压应力区可用双轴试验结果代替三轴试验结果的结论，既简化了试验又便于量测。     

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。     

低渗透岩石三轴压缩过程中的渗透性研究

 采用岩石全自动三轴伺服仪,对低渗透花岗岩进行考虑渗透水压作用的三轴渗流–应力耦合试验。基于试验结果,研究花岗岩在不同围压和渗压下的渗透特性,分析岩石应力、应变变化过程中渗透率随围压、渗压和体积应变的变化规律。试验结果表明：岩石的应力–应变关系具有典型的脆性特征,渗压相同围压不同时,岩石强度随围压增大而增加;围压相同渗压不同时,较低的渗压对低渗透岩石强度影响不明显。岩样体积应变经过压密和扩展2个阶段,最大体积压缩应变随着围压的增加而增加,而岩样渗透率最小值并未出现在最大压密处,而是出现在体积应变拐点前,约在最大压密体积应变的95%处,并给出渗透率与体积应变的关系式。     

三轴压缩情况下岩石变形特征的滑移型裂纹模拟

根据滑移型裂纹模型,基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理,建立了三轴压缩情况下岩石材料的变形模型,并模拟了围压为20,50,80 MPa时花岗岩的变形特征。研究结果表明,模拟结果与实验结果符合得比较好,为通过裂纹模型定量研究岩石材料在三轴压缩情况下的变形特征提供了一种可行方法。