温度梯度冻土蠕变变形规律和非均质特征

采用K₀DCGF（K₀固结—保持荷载冻结—形成温度梯度—再试验）方法,开展不同温度梯度冻结饱和黏土三轴蠕变试验,研究冻土蠕变变形规律和温度梯度诱导的冻土非均质特征。结果表明：K₀DCGF模式中温度梯度冻结饱和黏土蠕变曲线由瞬时蠕变、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段组成;温度梯度冻土径向蠕变速率小于轴向蠕变速率;温度梯度冻土最小轴向蠕变速率与蠕变应力之间满足指数函数关系,而长期强度极限与蠕变破坏时间之间则满足对数函数关系;梯度温度冻结过程中的水分场重分布和试验后冻土变形的非均匀分布是K₀DCGF蠕变试验中“温度梯度诱导的冻土非均质性”的重要体现;蠕变试验后温度梯度冻土冷端含水量最高,密实度最大;蠕变试验后温度梯度冻土宏观径向变形/试样高度沿试样高度方向分布随蠕变应力增加由先增加后降低规律逐步演化为持续增加规律,这一现象与冻土初始瞬时蠕变速率密切相关。     

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。     

岩盐蠕变行为的宏细观损伤特性试验研究

 岩盐的长期力学行为是地下储气库建设安全评估的重要参数,其蠕变特性和所受荷载条件(应力、温度、湿度)与其内部结构紧密相关。利用数字图像相关技术研究金坛岩盐不同尺度下蠕变过程及损伤演化。数字图像测试技术不仅给出材料在100 µm和厘米尺度全场应变分布,而且跟踪裂纹的发展变化。重点介绍不同应力水平下材料的蠕变行为,试验结果验证了蠕变速率随应力水平的提高而增加,测量到该岩盐在11 MPa的单轴条件下的宏观尺度稳定蠕变速率为10－9 s－1左右,而细观蠕变速率与其对应的结构紧密相关。蠕变过程中,裂纹扩展引起的损伤被准确定位,主要在晶粒与晶粒之间,且主要属于张拉破坏。     

钙芒硝盐岩蠕变特性的研究

 在自然界中,纯钙芒硝是以一种化合物的形式出现的,其分子式为Na2Ca(SO4)2,但在试件内部钙芒硝盐岩与泥岩互相混合,以混合物的形式出现,这就决定了其力学性质的特殊性。在不同的应力水平下,进行了长达100多天的单轴压缩蠕变试验,发现钙芒硝盐岩高应力水平蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率,其蠕变速率在初期和后期比较大,并随时间大致呈U形分布,与NaCl岩盐相比,钙芒硝盐岩蠕变速率及蠕变量均较小。回归出钙芒硝盐岩在不同应力水平下蠕变应变随时间变化的曲线方程。对钙芒硝盐岩的蠕变模型进行初步探讨,通过对蠕变曲线与理论曲线的对比,说明同时包含弹黏塑性的西原模型能较好地反映钙芒硝盐岩的蠕变规律,并对相关参数进行了拟合。     

绿片岩各向异性蠕变特性试验研究

 为了解锦屏二级水电站引水隧洞绿片岩的各向异性流变力学特性,通过对层状脆性绿片岩试件进行单轴压缩蠕变试验,研究脆性层状岩石材料的各向异性蠕变规律。按层理面倾角大小共加工6个试件,分级加载均为4个应力水平,最大值与初始地应力接近。试验结果表明,绿片岩试件蠕变曲线存在瞬时应变、衰减蠕变和稳定蠕变,未出现加速蠕变阶段。根据试验结果得到瞬时弹性模量和稳定蠕变阶段的蠕变速率。分析表明,绿片岩试件的瞬时弹性模量随着应力水平的提高而提高,并趋于稳定,其中层理倾斜的试件瞬时弹性模量更高;蠕变速率随着应力水平的提高而提高,并随着层理面倾角的增大而增大,层理面倾角接近材料的破裂角时,试件的轴向蠕变速率最大。     

冻结粉土的动静蠕变特征比较

通过动、静荷载作用下冻结粉土的蠕变试验,发现在初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段,动蠕变的应变值小于静蠕变,而由于稳定蠕变阶段动蠕变的蠕变速率大,应变迅速增加,导致动蠕变的稳定蠕变阶段很短,迅速进入渐进流阶段,此时其应变值大于静蠕变;动、静蠕变的破坏特征与加载应力的变化趋势相同,但数值不同,动蠕变的破坏时间、破坏应变都小于静蠕变,最小蠕变速率值大于静蠕变,且加载应力越小,二者的差别越明显。     

人工冻结粘土单轴压缩蠕变特性归一化分析

冻土的蠕变特性问题一直是冻土力学的一个重要研究方向,通过对安徽临涣矿区粘土冻结后,进行单轴压缩蠕变试验,用归一化的方法研究其蠕变特性。研究表明,随着加载应力的增大,破坏时间缩短,最小蠕变速率加快,特别当压力大于1 .3MPa时更为明显,破坏应变先增加后减小;加载条件相同时,冻结温度越低,破坏时间越长,最小蠕变速率越慢,- 1 0℃时破坏应变最大。     

向家坝水电站含弱面砂岩剪切蠕变试验研究

向家坝水电站左岸坝基开挖过程中揭露出挤压带,该挤压带砂岩岩体质量差,其显著的蠕变变形对水工建筑物的安全稳定性不利.利用CSS-3940YJ型岩石剪切流变试验机,对挤压带含弱面砂岩进行剪切蠕变试验.试验结果表明:该岩石蠕变量大,破坏前剪应变为1.73%～8.05%,具有显著的延性特征,属于典型的软岩.正应力提高了岩石的延性特性.在恒定正应力下,岩石蠕变速率随剪应力水平的增大而增大.基于采集的大量试验数据,采用差分法求得每一时刻的蠕变速率,并利用幂函数对蠕变速率曲线进行拟合,分析表明蠕变稳定所需时间随剪应力水平的增大而增大.通过对破坏断口的分析发现:岩石内部微裂隙随剪应力水平和时间的增长而不断扩展直至贯通,致使岩石发生剪切破坏.该研究成果对向家坝水电站坝基工程有重要参考价值.     

盐岩蠕变特性的试验研究

盐岩蠕变特性会因矿物组成成分、加载应力水平的不同而异。通过对钙芒硝盐岩及氯化钠盐岩在不同载荷作用下多于100 d的蠕变试验研究发现:(1)在相同载荷7.0 MPa作用下,不同矿物成分盐岩的蠕变特性不同,钙芒硝盐岩的蠕变速率仅为氯化钠盐岩的3.67%,分别为8.72×10-6和2.38×10-4 d-1,二者有2个数量级之差;(2)在不同载荷作用下,盐岩的蠕变特性不同。在7.0 MPa载荷作用下,盐岩试件的蠕变速率为2.38×10-4/d;而在4.0 MPa载荷作用下,试件的蠕变速率为3.77×10-5 d-1,仅为前者的15.87%,表现出盐岩蠕变明显的应力效应特征;(3)在7.0和12.0 MPa两种不同载荷作用下,钙芒硝盐岩的蠕变率分别为8.72×10-6 d-1和1.12×10-5 d-1,后者为前者的1.28倍,与变形量比例相一致。最后,通过分析建立盐岩瞬态蠕变和稳态蠕变的耦合本构方程,该方程拟合曲线与试验结果曲线吻合较好。所获试验结果及本构方程可对层状盐岩矿床内建造油气储库的稳定性分析提供一定的参考依据。     

核废料地下储库围岩长期水力响应特征

黏土岩由于其低渗透性和损伤自修复等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。以黏土岩为研究对象,结合相关室内试验和现场监测成果,在总结黏土岩蠕变变形规律的基础上,考虑蠕变过程中的损伤和应变累积,建立黏土岩非线性蠕变损伤本构模型,并将其应用于比利时核废料地下实验室长期水力响应特征分析。研究结果表明：(1)非线性蠕变损伤本构模型能较好地反映黏土岩的非线性蠕变损伤过程;(2)巷道开挖对巷道洞周围岩水力性质影响显著,洞周附近围岩变形增大、孔隙水压力迅速减小;(3)围岩变形与开挖巷道距离和流变时间密切相关：随着与巷道距离的增大,开挖对巷道洞周附近围岩变形、孔隙水压力的影响逐渐减小,而随着时间的增长,巷道洞周附近围岩变形、孔隙水压力逐渐增大;(4)高放废物处置库衬砌的蠕变变形规律与现场监测结果相吻合,验证了模型的可靠性。研究成果将为我国未来黏土岩核废料地下储库的建设和稳定性评估提供重要理论依据。     

裂隙花岗岩各向异性蠕变特性研究

 由于岩石的非均质性、裂隙的存在以及所处地质环境的复杂性,岩样在蠕变破坏过程中通常表现出各向异性的特点。为了描述岩石的这种各向异性蠕变性质,在经典弹黏塑性理论的基础上,提出黏塑性流动系数张量表达式,建立岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型,将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模型中,开发岩石蠕变过程分析的三维弹黏塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D-EVP),建立非均质岩石蠕变破坏过程的分析方法,该方法通过常规三轴数值试验来确定细观单元的强度和变形参数,通过蠕变试验确定其黏塑性流动系数,克服岩石力学模拟中“数据有限”的瓶颈问题,并通过对甘肃北山核废物地下处置候选场址的裂隙花岗岩三轴蠕变试验验证该模型和分析方法的正确性,合理地描述裂隙花岗岩在渗流–应力作用下产生各向异性的宏观现象。     

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。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 引进岩石时效强度理论及Kachanov损伤理论,建立以时间变量表示的岩石损伤表达式,并将其与岩石黏塑性流变参数相联系,建立包含加载时间、加载应力等变量在内的岩石黏塑性流变参数非线性表达式,代入西原模型后即建立非线性黏弹塑性蠕变模型。当岩石受到的应力大于岩石长期强度时,岩石即出现损伤,岩石内部的微结构发生变化,岩石的黏塑性流变参数将随时间非线性变化。将建立的模型编入有限元计算程序,并进行数值试验,结果表明所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,可以统一描述软岩和硬岩的蠕变破坏过程,既可以描述软岩在加速蠕变阶段的渐变破坏过程,又可以描述硬岩在加速蠕变阶段的陡然破坏过程,具有广泛的适应能力。将大理岩、盐岩的蠕变破坏试验结果与计算模拟结果进行对比,两者基本吻合,从而验证了模型的正确性。这些成果表明所建模型将具有良好的应用前景。     

Temperature-controlled triaxial compression/creep test device for thermodynamic properties of soft sedimentary rock and corresponding theoretical prediction

In deep geological disposal of high-level nuclear waste,one of the most important subjects is to estimate long-term stability and strength of host rock under high temperature conditions caused by radioactive decay of the waste.In this paper,some experimental researches on the thermo-mechanical characteristics of soft sedimentary rock have been presented.For this reason,a new temperature-controlled triaxial compression and creep test device,operated automatically by a computer-controlled system,whose control software has been developed by the authors,was developed to conduct the thermo-mechanical tests in different thermal loading paths,including an isothermal path.The new device is proved to be able to conduct typical thermo-mechanical element tests for soft rock.The test device and the related testing method were introduced in detail.Finally,some test results have been simulated with a thermo-elasto-viscoplastic model that was also developed by the authors.     

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。     

盐岩三轴蠕变与损伤恢复变形特征研究

地下盐岩储气库建设在我国能源储备战略中具有重要的地位,盐岩蠕变特性对地下盐岩储气库长期安全运行具有重要意义。为研究长期荷载作用下盐岩蠕变变形与损伤恢复特征,进行了不同围压、定偏应力的三轴蠕变及损伤恢复试验,损伤恢复时长超过150 d。研究结果表明:(1)高偏应力作用下,盐岩试样出现了明显的蠕变变形,轴向变形在30~40 d达到7%,体积变形先压缩后发生扩容;(2)低偏应力作用下,盐岩轴向蠕变变形量较小,体积变形持续压缩并趋于稳定;盐岩体积应变增幅随围压增大而逐渐增大,损伤恢复阶段试验达到150 d时,围压10、15、20、25 MPa对应体积应变分别相对增大1.06%、1.31%、1.30%及1.42%,盐岩体积应变增幅与围压之间呈正线性相关;(3)根据盐岩损伤恢复过程中体积变化特征及盐岩体积变形速率曲线,将盐岩损伤恢复划分为损伤快速恢复与损伤缓慢恢复两个阶段;盐岩损伤恢复主要发生在损伤快速恢复阶段,该阶段的体积增幅均达到全恢复过程的80%以上。     

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.     

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。     

Long-term safety analysis and model validation through URL research

In Germany, all types of radioactive wastes will be disposed of in deep geological repositories. While a repository for low-level radioactive waste (LLW) has recently been licensed, different host rock formations are considered for disposal of heat producing high-level waste (HLW). The latter includes directly disposed spent fuel (SF) and vitrified waste from its reprocessing. Different canisters and disposal concepts are considered for spent fuel disposal, i.e. thick-walled iron casks in horizontal drifts or thin-walled BSK3 steel casks in vertical boreholes. GRS is the leading expert institution in Germany concerning nuclear safety and waste management. For the recent 30 years, GRS has developed and continuously improves a set of computer codes, which allow assessing the performance and the long-term safety of repositories in various host rocks (salt, clay or granite) adopting different technical options. Advanced methods for deterministic as well as probabilistic assessments are available. To characterize the host rocks and backfill/buffer materials and to develop disposal technologies, comprehensive laboratory experiments and a large number of in-situ tests have been performed at GRS’ geo-laboratory and underground research laboratories in different host formations. Thermo-hydro-mechanico-chemical (THMC) processes occurring in the host rocks and engineered barrier systems are numerically simulated. The paper presents an overview of GRS’ work highlighting important results of performance assessment (PA) studies for both the salt and clay options. Also, recent results of in-situ investigations and laboratory studies are presented together with modeling results. Special emphasis is dedicated to the consideration of coupled THM processes which are of relevance in PA.     

高孔隙水压力对岩石蠕变特性的影响

设计3种加载方式,其中一种施加高孔隙水压力,分别进行分级加载蠕变试验,用于研究分析高孔隙水压对岩石蠕变特性的影响。首先,利用大理石加工的标准圆柱试件,按3种加载方式分别进行蠕变试验,得到轴向、横向的蠕变变形过程曲线,以及岩石破坏时的破坏形态;然后,对3种加载方式下的岩石轴向应变、横向应变、剪应变、体积应变以及破坏形态等进行比较分析;最后,在比较分析的基础上,总结高孔隙水压力对于岩石蠕变及破坏的影响。研究表明:孔隙水压力作用明显,但不是完全作用,即孔隙水压力作用系数接近于1;在高孔隙水压力作用下,岩石的强度大大降低,承载时间大大缩短,破坏时的应变也降低;虽然3种加载情况都是以剪切破坏为主,但在有高孔隙水压力作用下,岩石的破坏更具有突然性;可能不存在一个统一的等效应变阈值,使在不同的加载情况下,应变超过该阈值后即产生加速蠕变破坏;在加速破坏前,除瞬时加载产生的体积应变外,在蠕变过程中,岩石体积应变几乎不变。该成果对于进一步研究考虑孔隙水压力影响的非线性蠕变模型具有指导意义,也可对高孔隙水压力作用下的岩石结构工程处理措施提供指导。