隧道围岩力学性质在不同含水条件下的试验

以隧道工程勘探岩样为研究对象,通过岩石的室内单轴压缩试验、劈裂试验和蠕变试验,研究了不同含水状态下岩石的弹性模量、泊松比、抗拉强度和蠕变力学性能,达到了采集围岩参数和用于指导隧道施工的目的。     

隧道各向异性软岩力学参数反演及蠕变研究

在高地应力条件下具有层理构造的横观各向同性软岩中开挖隧道后,软弱围岩会发生显著的流变变形,直接影响隧道围岩的稳定性及支护结构的长期服役性能。采用数值模型模拟木寨岭隧道大战沟斜井试验洞的开挖蠕变过程,建立并验证了隧道宏观变形特征值与围岩力学计算参数之间的BP神经网络。在此基础上根据6+90试验洞现场变形监测数据,反演得到了该处炭质板岩的塑性及蠕变力学参数。应用另两处监测断面的现场监测曲线验证了基于BP神经网络的反演方法及所得炭质板岩力学参数的可靠性。另外分析了横观各向同性炭质板岩的开挖蠕变力学变形性质,对高地应力条件下横观各向同性软弱围岩中隧洞开挖及支护结构的设计、施工具有重要的指导意义。     

在法向压应力影响下隧洞围岩非线性粘塑性变形的研究

本文在对岩石材料受纯剪应力和单轴压缩应力条件下的非线性粘塑性蠕变的研究基础上,进一步提出了在法向压应力状态下岩石材料的非线性粘塑性蠕变特性和相应的力学模型;并将该力学模型应用于西南某电站水工隧洞周边的围岩,利用粘性增量初应变有限元法分析计算了在法向压应力影响下隧洞围岩非线性粘塑性变形的力学效应。     

含水炭质板岩非线性蠕变损伤模型及应用

对深埋隧道炭质板岩进行高围压不同含水状态三轴蠕变试验。蠕变过程中,随着加载应力水平提高及含水量的增加,炭质板岩产生衰减、稳态及加速蠕变3阶段。将Burgers模型串联一个由非线性黏壶η(n,t)与塑性体并联而成的非线性粘塑性元件,改进后的模型可描述加速蠕变曲线。由该模型建立本构方程,拟合分析不同含水状态炭质板岩的蠕变参数,结果显示粘滞系数η〖KG0.005mm〗 M、瞬时变形模量E M、粘弹性变形模量E K、粘弹性粘滞系数η〖KG0.005mm〗 K随含水率增加呈指数形式递减,但递减规律并不相同。引入含水损伤变量D(w),计算得到各蠕变参数指数型含水损伤演化方程,进而建立了考虑含水损伤的非线性蠕变模型,可充分反映不同含水状态对炭质板岩的蠕变损伤特性。建立数值模型,计算不同含水状态隧道围岩时效变形规律,结果显示初期支护体系于168 h左右闭合能有效限制围岩蠕变变形发展,二衬宜于初期支护闭合后360 h左右施作。     

厦门岩内隧道长期稳定性分析

软岩隧道围岩蠕变特性会对隧洞的长期稳定性产生重要影响。以厦门岩内隧道为研究对象,对取自现场的全风化花岗岩进行了一系列三轴蠕变试验研究,建立了适用于该岩石的幂指数蠕变模型,通过对试验数据的分析得到了隧道围岩的蠕变参数。将全风化花岗岩蠕变模型嵌入到有限元程序中,对岩内隧道的长期稳定性进行了分析。结果表明,由于围岩的蠕变特性,隧道建成2年内围岩的变形较大,但逐渐趋于稳定。隧道运营10年后,围岩变形导致的衬砌破坏区主要集中在拱脚部位,面积较小,不会对隧道的长期稳定性产生影响。     

页岩蠕变特性及模型研究

通过对页岩单轴蠕变试验结果的分析,研究应力状态对页岩强度及其时间相关性特征的影响,分析结果表明:页岩是一种软弱岩石,轴压对页岩的力学性质影响较大,通过试验获得的蠕变曲线和岩石参数,结合广义开尔文模型回归得出的页岩的蠕变本构方程,能较好地模拟试验结果.     

基于变参数的含水岩石弱化流变模型研究

基于不同含水率的岩石蠕变试验,分别考虑岩石时效劣化效应和含水弱化效应,分析不同应力状态下和不同含水率状态下的蠕变曲线。根据试验蠕变曲线得到岩石弹性模量随时间和含水率的变化关系,拟合得到岩石的时间衰减指数和含水衰减指数。在假设岩石时效损伤和含水损伤为各向同性损伤的基础上建立了岩石时效蠕变损伤模型,并对不同含水率下的岩石蠕变损伤开展了数值模拟研究。数值模拟结果同岩石蠕变试验曲线很好地相吻合,模拟结果表明了该蠕变损伤模型的合理性。本文所开展的岩石时效劣化和含水弱化蠕变损伤模型的研究工作,将为岩石流变特性的研究提供一定的理论依据。     

基于位移反分析的围岩蠕变本构模型参数确定方法

针对隧道围岩蠕变参数难以确定的研究现状,在充分调研各类岩石蠕变本构方程的适用条件的基础上,选取适用于依托工程实际地质状况的蠕变本构方程.采用位移反分析的计算方法,根据现场调查所得隧道围岩监控量测数据进行参数反演,得到了典型断面所在围岩段的围岩蠕变本构方程,并进行了参数验证,结果显示计算模型所得围岩变形值与实测数据误差较...     

富水泥质板岩隧道围岩蠕变力学特性研究

目前,对于考虑含水劣化的软岩蠕变力学特性研究存在一定的局限性。针对此问题,以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道施工期泥质板岩的蠕变问题为出发点,通过三轴压缩蠕变试验分析应力状态及吸水率对泥质板岩蠕变特性的影响规律,在已有Burgers蠕变本构模型的基础上,引入水劣化因子,建立泥质板岩考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构方程,将蠕变参数转化为prony级数,在ANSYS软件中验证蠕变本构方程的合理性。研究结果表明:随着吸水率的增大,泥质板岩的蠕变变形和蠕变率增大,进入等速及加速蠕变阶段的进程加快;应力差的增大预示着泥质板岩进入等速及加速蠕变阶段的进程加快,时间缩短;随着吸水率的增大,泥质板岩蠕变参数(变形模量、黏滞系数、体积模量)呈指数函数减小。将顾及了水劣化因子的蠕变本构模型输入至ANSYS软件中,计算结果与三轴压缩蠕变试验结果吻合度较高,表明考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构模型具有较强的实效性,可以用于描述富水泥质板岩隧道围岩的蠕变规律。     

富水泥质板岩隧道围岩蠕变力学特性研究EI北大核心CSCD

目前,对于考虑含水劣化的软岩蠕变力学特性研究存在一定的局限性。针对此问题,以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道施工期泥质板岩的蠕变问题为出发点,通过三轴压缩蠕变试验分析应力状态及吸水率对泥质板岩蠕变特性的影响规律,在已有Burgers蠕变本构模型的基础上,引入水劣化因子,建立泥质板岩考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构方程,将蠕变参数转化为prony级数,在ANSYS软件中验证蠕变本构方程的合理性。研究结果表明:随着吸水率的增大,泥质板岩的蠕变变形和蠕变率增大,进入等速及加速蠕变阶段的进程加快;应力差的增大预示着泥质板岩进入等速及加速蠕变阶段的进程加快,时间缩短;随着吸水率的增大,泥质板岩蠕变参数(变形模量、黏滞系数、体积模量)呈指数函数减小。将顾及了水劣化因子的蠕变本构模型输入至ANSYS软件中,计算结果与三轴压缩蠕变试验结果吻合度较高,表明考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构模型具有较强的实效性,可以用于描述富水泥质板岩隧道围岩的蠕变规律。     

全风化花岗岩流变特性试验研究

全风化花岗岩物理力学性质十分复杂,水稳定性极差,具有明显的软岩流变特征,且具有显著的地区性差异。为掌握贵广线全风化花岗岩的流变特性以便指导工程施工,以东科岭隧道进口全风化花岗岩段为工程背景,现场取样,室内加工成不同含水率的3组试件,进行室内流变试验,采用分级加载,最终得到各试件在不同应力水平下的蠕变曲线。结果表明,各组试件流变特征基本符合Burgus粘弹性模型,加载方法和应力水平对试件的流变参数有影响;随含水率提高试件剪切模量下降,过渡蠕变段变短,蠕变速率加快,中等含水率以下时流变参数变化较小,接近饱和时流变参数变化显著。     

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。     

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。     

不同含水情况下的泥岩蠕变试验及其对油田套损 影响研究

 以大庆泥岩为研究对象,进行不同含水条件下的强度试验和蠕变试验,分析含水量变化对泥岩强度、弹性模量等基本力学参数以及蠕变特性的影响。试验结果表明：含水量的增加,大大降低了泥岩的弹性模量和单轴抗压强度,并使泥岩的蠕变变形和稳态蠕变率显著增加。通过试验得到考虑含水量变化的泥岩蠕变本构方程,并与试验曲线进行对比。以大庆油田南二区某井套损段泥岩层为例,建立数学模型,根据得到的蠕变本构方程,对不同含水条件下井壁泥岩的蠕变挤压应力进行数值模拟,通过对比分析,说明在非均匀挤压应力作用下,泥岩含水量的增加会大大加快蠕变应力的增长速度,使围岩对套管产生的蠕变挤压应力达到极值所需的时间迅速减小,大大缩短套管使用寿命。油田开采过程中,应防止高压注入水进入泥岩,以预防和减少由于泥岩进水发生蠕变导致套管损坏。     

高围压炭质板岩流变力学试验与硬化损伤模型研究

为了研究炭质板岩在高围压条件下的流变力学特性,进行了不同围压条件下的炭质板岩加卸载流变试验,试验结果表明,炭质板岩存在明显的流变下限,约为抗压强度应力水平的50%~60%,低于流变下限时仅有瞬时弹性应变和不可恢复的压密应变,其中压密应变在应力水平较低时已经趋于稳定值,应力水平为抗压强度的60%~70%时仅出现衰减蠕变或等速蠕变,应力水平超过抗压强度80%时才发生加速蠕变。根据传统强度理论,建立了包含压密应变、硬化塑性应变和损伤塑性应变的蠕变模型,对各阶段模型参数进行辨识,依据稳定蠕变阶段参数辨识结果拟定加速蠕变阶段部分参数的合理初始值,达到了较好的拟合度,表明模型对于反映高围压炭质板岩流变特性具有较好的适用性。     

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。     

Water-induced variations in mechanical properties of clay-bearing rocks

This study presents the results obtained from laboratory tests carried out on different types of clay-bearing rock collected from various parts of Turkey, to quantify the effects of water content on mechanical properties of the rocks, and to develop a method for estimating the rock strength and deformability at any water content based on physical properties. For this purpose, in addition to physical properties of the rock types collected, needle penetration resistance, uniaxial compressive strength, tensile strength and modulus of elasticity were determined on a number of specimens with different water contents. The results suggest that with increasing the water content the reductions in the uniaxial compressive strength, modulus of elasticity and tensile strength are up to 90%, 93% and 90%, respectively, from oven-dried to saturated conditions. Based on a series of empirical models developed and the comparisons between the experimentally determined mechanical properties and those predicted from the models, it is concluded that the suggested models seem to be very practical tools to estimate the mechanical properties of the clay-bearing rocks at any water content using the coefficients related to some physical properties of the rock material such as dry unit weight, water absorption by weight and porosity. In addition, needle penetration test is particularly suitable for such rocks to indirectly estimate their uniaxial compressive strength.     

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。     

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。     

岩石拉压特征的相似性

通过近年来岩石力学的试验结果，其中包括单轴拉应力和压应力作用下不同岩石的完全应力－应变曲线、受拉强度和受压强度的载荷速度效应以及蠕变寿命随蠕变应力水平的变化等，研究了岩石在拉应力和压应力作用下上述力学特征的相似性和规律性。