三轴压缩下含瓦斯煤样蠕变特性试验研究

 介绍自主研制的含瓦斯煤岩三轴蠕变试验系统。利用三轴蠕变试验系统对含瓦斯煤样进行一系列三轴蠕变试验,得到不同蠕变载荷、不同围压和不同瓦斯压力条件下的蠕变结果。试验结果显示,蠕变载荷、围压和瓦斯压力是影响含瓦斯煤样蠕变特性的重要因素;含瓦斯煤样的蠕变行为可以表现出衰减蠕变和非衰减蠕变2种形态;减速蠕变阶段是弹性后效的结果;稳态蠕变速率受蠕变载荷、围压和瓦斯压力的影响,并且随蠕变载荷和瓦斯压力的增大而增大,随围压的增大而减小;加速蠕变阶段是含瓦斯煤样破坏的开始。基于试验结果,详细分析含瓦斯煤样的减速蠕变和稳态蠕变阶段的蠕变速率,给出能分别描述减速和稳态蠕变阶段蠕变速率的幂函数和指数函数方程。利用规范化方法建立能反映稳态蠕变速率、蠕变载荷、围压和瓦斯压力之间关系的数学方程,利用该方程可以很容易地预测各种应力状态下稳态蠕变速率的大小。     

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.     

黄土地区第三系红色黏土岩蠕变特性研究

以宝鸡刘家泉滑坡体内具代表性的三门组黏土岩为研究对象,进行黏土岩物理性质分析和室内流变、快剪试验.试验结果表明,研究区域黏土岩矿物成分以伊利石-蒙脱石混层矿物为主,黏土岩具有成岩时间短、强度低、胶结程度差等特点,且具有明显的膨胀性.此外,室内流变剪切强度参数与快速剪切强度参数相比,摩擦因数f降低了66%,黏聚力c值降低了80%.剪切流变试验结果表明,位移随时间的增加,黏土岩表现为低应力条件下非线性黏弹性和高应力条件下线性黏塑性特性,具有良好的流变变形特征.在岩石流变结果分析的基础上,通过五元件广义Kelvin模型和Bingham模型串联代表黏土岩的流变模型,能较好地反映出黏土岩的流变特性,且计算曲线与试验结果能较好地拟合出蠕变的衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段,并应用遗传算法对黏土岩流变本构模型进行参数辨识,拟合结果与试验结果能够很好地吻合.     

向家坝水电站坝基挤压带岩石三轴蠕变试验及非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 基于岩石常规三轴蠕变试验成果,研究向家坝水电站坝基挤压破碎带砂岩蠕变力学特性,分析岩石轴向和侧向蠕变规律。在低应力水平下,岩石仅发生衰减蠕变和稳态蠕变,而且稳态蠕变阶段的应变速率为非零常数,蠕变量不可忽视,岩石变形满足Burgers蠕变模型。当应力达到一定水平时,岩石经过衰减蠕变和稳态蠕变之后发生加速蠕变破坏。不同围压下蠕变破坏特征不同,尤其是加速蠕变启动时间的差别较大,据此提出加速蠕变启动元件。通过将加速蠕变启动元件与Burgers模型串联,建立一个新的岩石六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并从理论上对其蠕变力学特性进行讨论。推导三维应力状态下的岩石蠕变本构模型公式,研究蠕变参数辨识方法。通过与试验曲线的比较,显示所建非线性蠕变模型的正确性与合理性。     

压实红黏土三轴蠕变特性试验及模型研究

利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪对中石油云南石化铁路专用线高填方路基的压实红黏土进行了一系列三轴蠕变试验,着重研究了压实红黏土在不同围压、不同应力水平以及不同排水条件下的蠕变特性。结果表明:围压、应力水平和排水条件对压实红黏土的蠕变特性均有显著影响;压实红黏土总体呈现衰减蠕变特征;不排水情况下得到的应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征,且曲线成一曲线簇,具有“归一化”现象,而在排水情况下则呈一定线性关系;并根据应力-应变曲线确定了压实红黏土的长期强度为瞬时强度的0.54~0.72倍。基于不排水蠕变试验数据,建立适合该地区压实红黏土的经验蠕变模型,通过与Burgers模型对比发现,该模型参数少、易获取,且对试验数据拟合效果优于Burgers蠕变模型。     

高放废物处置库中COx黏土岩回填材料压缩特性研究

 高放废物处置库中回填材料需要预先压缩到一定密实度,其压缩特性对处置库的设计和安全性有重要影响。目前,粉碎后的Callovo-Oxfodian(COx)黏土岩(法国)被考虑为可选的回填材料之一。通过开展一维压缩试验,研究2种不同粉碎工艺下获得的粗/细COx土样的压缩特性,结果表明：压缩曲线受粒度成分的影响非常明显,为获得同等压实度,细粒土所需的压实功能较粗粒土高,除此之外,细粒土的压缩指数也高于粗粒土,表现出较强的压缩性;随着土样压实密度的增加,粗/细土样的压缩曲线逐渐靠拢,粒度成分对压实功能影响逐渐减弱;土样卸荷时回弹指数随干密度的增加而增加,受粒度成分的影响不明显;高压实(rd = 2.0 g/cm3)粗粒土样在7 MPa的轴向应力下饱和时,体积发生明显的塌陷现象,饱和后土样的压缩指数小于饱和前,而回弹指数则较饱和前高。     

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。     

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。     

杭州黏土层一维压缩及蠕变特性试验研究

软黏土的一维压缩及蠕变特性一直是国内外岩土工程领域研究的内容之一,也是解决工程问题的必要参数。针对杭州地区软黏土层,取杭州紫金港浙江大学校区附近某基坑工地地层钻孔得到的原状土,对自地表向下19 m埋深范围内与城市工程建设相关的土层,系统而全面地开展杭州黏土层的一维压缩及蠕变特性试验研究,分析总结压缩指数、回弹指数、渗透系数及次固结系数等基本力学特性的埋深分布。     

粉质黏土三轴排水蠕变特性试验研究

采用三轴排水蠕变试验探讨了粉质黏土的蠕变特性,试验考虑了k0固结条件,对比研究了轴向分级加载和侧向分级减载2种应力路径下土体的蠕变特性。通过研究可得,粉质黏土的轴向蠕变类型为衰减蠕变型,体积蠕变受围压和应力历史影响明显;在侧向分级减载和低围压条件下,土体会表现出剪胀特性;基于三单元力学模型获得粉质黏土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的60～100 min;粉质黏土的蠕变系数与应力水平、蠕变加载方式有关,受围压影响较小;轴向分级加载条件下,蠕变系数与应力水平呈线性变化关系;侧向分级减载条件下,蠕变系数与应力水平呈非线性关系。     

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。     

蠕变作用后大理岩强度与变形特性试验研究

为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,分别在裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段,对大理岩进行不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,分析不同条件蠕变作用后大理岩强度与变形特性的变化规律,同时提出采用体变速率进行岩石变形阶段划分的新方法。结果表明:(1)裂隙压密和弹性阶段蠕变对大理岩力学性能起强化作用,随蠕变时间增长,强度和弹性模量增大,泊松比减小,且弹性阶段蠕变的强化程度大于压密阶段。裂隙稳定扩展阶段蠕变呈现相反的变化规律,起劣化作用,而岩样在非稳定扩展阶段蠕变预处理时快速破坏;(2)依据扩容速率可将岩石变形过程分为3个阶段,分别为平稳压缩阶段、加速扩容阶段及减速扩容阶段;(3)裂隙压密和弹性阶段蠕变后,大理岩峰值扩容速率随蠕变时间增长略有减小,裂隙稳定扩展阶段蠕变后则随蠕变时间增长显著增大;(4)原始岩样和蠕变作用0 h后岩样的单轴压缩破坏形态以单一剪切面破坏为主。随蠕变时间增长,裂隙压密和弹性阶段蠕变后岩样破坏形态转为沿轴向劈裂破坏,裂隙稳定扩展阶段蠕变后转为剪切、劈裂组合破坏,除几条主裂隙外,还伴随众多次生裂隙。     

循环荷载下平面变形超固结软土蠕变特征试验研究

采用原状试样试验研究平面变形超固结软土在循环荷载下的变形特征。研究表明,静力荷载试验应力状态平面变形条件下,正常固结和超固结软黏土以固结变形为主要特征。循环荷载试验应力状态平面变形条件下,正常固结和超固结软黏土以剪切变形为主要特征,超固结软土侧向变形小于正常固结软土。饱和软黏土试样在循环荷载作用初期孔隙水压力不显示波动特征,总体趋势为累计增大到峰值后连续下降,与静荷载作用下的孔压变化特征类似。循环荷载长时间作用后,孔隙压力呈现波动特征,波动峰值随时间逐渐减小,衰减过程与应力状态和应力历史有关。     

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.     

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。     

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。     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

保持加载下岩石变形记忆效应时效特征规律研究

作为岩石基本属性的变形记忆效应(deformation memory effect,DME)具有时效特性,加载保持时间(T_c)对岩石DME的影响是其时效特性之一。选用砂岩及2种花岗岩材料,开展不同T_c下的物理试验,对记忆信息形成精度及应变差幅值等进行分析,并基于岩石内部多微结构面间的黏弹性摩擦滑动理论,采用岩石三元件构建基本记忆单元理论模型,进行不同T_c下DME力学理论研究,结果表明:(1)随T_c增加,2种花岗岩和砂岩的记忆信息形成精度明显提高,应变差幅值逐渐减小;(2)记忆理论模型的记忆信息形成精度和应变差幅值的变化规律和物理试验保持一致,即基于多微结构面的记忆理论模型能够描述不同T_c下的岩石DME宏观行为;(3) T_c增加到一定幅度时,记忆信息形成精度和应变差幅值趋于不变,并提出当应变差幅值稳定时,此时为最佳T_c。结论给出了保持加载下岩石DME时效特性变化规律,为岩石DME时效性研究提供了试验及理论基础。     

分级加载条件下岩石流变特性的试验研究

以红砂岩为例,采用重力加载式流变仪,在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验研究,重点观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变形效应,同时对其他时效变形特点进行了分析。试验结果表明,侧向稳定蠕变阶段的应力门槛值低于轴向稳定蠕变的应力门槛值;侧向蠕变有明显的加速蠕变阶段,且比轴向加速蠕变阶段出现得早,而轴向蠕变的第三阶段则不太明显,一经出现试样随即破坏。在单体分级加载条件下,受蠕变的影响,随应力水平和变形量的增加,岩石的瞬时弹性模量有明显的增大,泊松比的变化则更为显著。     

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。