含杂质盐岩三轴蠕变特性试验研究（研究生论坛稿件）

针对杂质盐岩蠕变力学特性问题,利用四川大学大型程控流变仪,对两种不同杂质盐岩进行了分级加载下的三轴蠕变试验。试验结果表明：围压和杂质含量不同,盐岩破坏形态以及力学参数均有差异。围压小于临界围压,盐岩呈剪切破坏,围压大于临界围压,盐岩呈大变形鼓状破坏;围压和杂质含量一定,岩盐稳态速率随偏应力增加呈指数增长;偏应力和杂质含量一定,蠕变速率随围压增大而降低,长期强度有所增大;偏应力和围压一定,低杂质(ω=2.1%)盐岩稳态蠕变速率高于高杂质(ω=46.8%)盐岩。体积变形经历了压密期-平静期-扩容期三个阶段,高杂质盐岩体积应变低于低杂质盐岩。将不溶物杂质含量与应力敏感性常数n的关系同分数阶蠕变本构方程进行耦合,建立了耦合杂质的盐岩分数阶非定常蠕变模型,将理论模型与试验数据对比分析证实了该模型的合理性。     

粉砂质泥岩蠕变特性与非线性黏弹塑性本构模型

针对边坡、隧道工程中粉砂质泥岩长期稳定性问题,采用DZSZ-150型多场耦合岩石三轴压力试验机,利用粉砂质泥岩相似材料试样,开展不同围压下粉砂质泥岩蠕变试验。根据蠕变试验结果建立可描述粉砂质泥岩蠕变全过程的非线性黏弹塑性本构模型,以7 MPa围压下蠕变试验结果为例,对所提出的蠕变本构模型进行合理性和可行性验证。结果表明：试样的稳态蠕变速率与偏应力大小有关,随着偏应力的增加,试样稳态蠕变速率与偏应力之间符合指数函数关系;在加速蠕变阶段的蠕变速率相对低偏应力水平下减速蠕变和稳态蠕变速率明显要增大很多,且非常短时间内就发生了蠕变破坏;提出一种描述粉砂质泥岩全蠕变过程的非线性黏弹塑性本构模型,该模型能描述粉砂质泥岩蠕变-破坏全过程的蠕变变形规律,反映了粉砂质泥岩在不同偏应力水平作用下的蠕变特性,克服了经典模型中无法准确描述加速蠕变过程的难题。     

含杂质盐岩加载过程渗透特性及细观特征研究

利用THMC岩石试验系统与工业CT,对不同杂质含量盐岩进行加载全过程气体渗透测试及加载前与破坏后的细观扫描,探讨了围压与杂质含量对含杂质盐岩加载过程渗透特性的影响。研究表明:杂质盐岩在5 MPa围压时的渗透率整体呈增大—平缓变化特征,但高杂质下的平缓期明显滞后杂质含量低的盐岩;在10 MPa围压时的渗透率具有下降过渡点,整体表现为增大—降低—上升至平缓的变化特征;围压对加载破坏过程中的渗透性具有显著影响,含杂质盐岩在10 MPa围压下破坏过程的渗透性,均比5 MPa围压状态下低约2～3个数量级。杂质含量低于45%时,杂质含量越高,破坏过程中渗透率越低;杂质含量超过45%时,破坏过程中的渗透率较高,量值与纯盐岩相当。杂质盐岩加载前的孔隙率约为1%,渗透破坏后增大了约10倍,加载破坏后高杂质盐岩与纯盐岩的孔隙率接近,杂质含量低的盐岩的孔隙率相对较低。研究获得了不同围压和杂质含量影响下渗透性差异的裂纹分布细观特征。低围压下的杂质含量低的盐岩呈单剪切面破坏特征,纯盐岩和高杂质盐岩呈共轭双剪切面破坏特征。导致破坏过程的渗透性较高;高围压下呈横向大变形特征,其破坏特征为裂纹方向与σ1方向一致的密集型微裂纹,破坏后的渗透性较低。     

修正的盐岩扩容模型及扩容界限研究

偏应力持续增加将导致盐岩发生扩容,盐岩扩容分为瞬时扩容和蠕变扩容.对盐岩三轴压缩试验以及三轴分级加载流变损伤试验数据进行分析,发现压缩-扩容边界对瞬时扩容和蠕变扩容都有影响,即应力状态未超过压缩-扩容边界时,盐岩体积不断减小;应力状态超过压缩-扩容边界时,盐岩将发生扩容,即体积增大.通过研究盐岩试件体积应变随偏应力变化规律,提出了修正的增量形式扩容模型,该理论模型计算结果与实验数据吻合较好.改变围压进行计算,结果表明,随围压增加,扩容起始点偏应力增大,最大压缩量增大.压缩-扩容边界可以作为盐岩储库围岩破坏的警戒点.     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变力学特性试验研究

为揭示三峡地区巴东组二段粉砂质泥岩的蠕变力学特性,采用RLJW-2000岩石流变伺服仪对饱和粉砂质泥岩进行了三轴压缩蠕变试验。试验在分级加载条件下进行,试验围压为1 MPa。基于试验结果,定量研究了粉砂质泥岩蠕变过程中轴向蠕应变与径向蠕应变的差异、轴向蠕变速率与径向蠕变速率的差异,得出了岩石的长期强度。研究结果表明:1)在各级应力水平下,试样径向蠕应变占径向总应变的比例始终比轴向蠕应变占轴向总应变的比例大,岩石的径向蠕变效应更明显。2)在破裂应力水平下,岩石径向蠕变比轴向蠕变先进入加速蠕变阶段,径向的初始蠕变速率、稳态蠕变速率以及加速蠕变速率均高于轴向相应的蠕变速率,以径向蠕变特征来判别粉砂质泥岩是否发生蠕变破坏更合理。工程实践中,应加强对岩石径向蠕变特性的监测工作,这对于工程失稳的预测预报更有意义。3)粉砂质泥岩的长期强度仅为其瞬时强度的74.4%,长期强度折减较大。4)试验中获得的长期强度实际上应为粉砂质泥岩的径向长期强度,径向先发生蠕变破坏从而导致试样破坏。     

粉砂质泥岩体积蠕变特性试验研究

采用RLJW-2000型岩石流变伺服仪,在三轴压缩条件下进行了饱和粉砂质泥岩蠕变试验.依据试验结果,对岩石体积蠕变阶段进行了划分,分析了岩石的体积蠕变规律.在此基础上,进一步分析了岩石体积蠕变速率的变化规律.研究结果表明:粉砂质泥岩的体积蠕变曲线以及体积蠕变速率曲线可以划分为3个不同的阶段;应力水平9 MPa是粉砂质泥岩从以轴向压缩变形为主转变为以径向膨胀变形为主的临界应力;应力水平15 MPa是粉砂质泥岩体积产生扩容的临界应力.研究成果可以丰富和完善岩石流变力学理论,为岩石蠕变破裂失稳的研究提供科学依据.     

北山花岗岩短长期常规三轴力学特性试验研究

为研究北山花岗岩的物理力学特性，开展了常规三轴、蠕变和松弛试验，研究过程与结论如下：（1）开展北山花岗岩在不同围压条件下的常规三轴压缩试验，对比分析试样的变形和破坏形式等力学特征，得出北山花岗岩岩石破坏时的不可恢复变形较小，且随着围压增大未出现脆-延性转变现象的结论；（2）开展北山花岗岩单级蠕变试验及不同围压条件下的多级蠕变试验，分析不同偏应力的形变和单级蠕变的蠕变速率，得出北山花岗岩的蠕变形式为非稳定蠕变，其应变曲线出现了典型的蠕变三阶段特征的结论；（3）开展北山花岗岩单级应力松弛试验及循环松弛试验，分析偏应力的变化规律，得出北山花岗岩在应力松弛过程的初始松弛阶段，其偏应力下降速率很快，在较短时间内即能够达到稳定状态的结论。     

层状盐穴储库中盐岩和泥岩蠕变特性试验研究

针对层状盐穴储气库中不同岩性之间变形不协调问题,本文利用四川大学大型程控流变仪对盐岩和含盐泥岩两种岩石进行了常规单轴加载和单轴多级加载的蠕变的对比试验研究,重点探讨了两者蠕变力学特性之间的异同。研究结果表明：盐岩的塑性变形能力、流变特性明显强于含盐泥岩,因加载应力产生的瞬时应变量均呈先减小后增大的趋势,与常规单轴下张拉破坏不同,长期蠕变试验条件下,两者均以张剪型破坏为主;同等应力百分比情况下,盐岩的稳态蠕变率明显高于含盐泥岩,稳态蠕变率随着加载应力的增加而增大,并呈指数型函数变化,盐岩对应力的敏感性明显强于含盐泥岩;利用等时应力-应变曲线拐点法对两种岩石的长期强度值进行分析,得到盐岩的长期强度值为12MPa,为短期抗压强度的48%,含盐泥岩的长期强度值为34~36MPa,较短期抗压强度下降约30%,盐岩的长期强度值与短期抗压强度的比值远低于大多数岩石的比值。     

基于砂岩蠕变试验的非线性蠕变模型辨识研究

为了研究砂岩的蠕变特性,利用全自动三轴伺服仪对砂岩试样进行10 MPa围压下的常规三轴试验和蠕变试验。为有效描述蠕变全过程,提出了一种含分数阶导数的非线性蠕变模型并进行验证。结果表明:在蠕变衰减、稳定阶段,试样环向蠕变速率和轴向蠕变速率比较接近;在蠕变加速阶段,试样的蠕变速率迅速增大,环向较轴向先发生加速蠕变,且环向加速蠕变速率更大,稳定蠕变速率随着应力水平的增大而增大,环向稳定蠕变速率增幅较轴向大,可见环向蠕变速率受应力水平影响更大,建立的含分数阶导数的非线性蠕变模型能较好模拟蠕变全过程,具有较高的准确性。     

近距离交叉隧道软岩蠕变特性研究

为研究云南某公路隧道上穿既有铁路隧道交叉段粉砂岩蠕变特性,利用ＴＬＷ －２０００三轴流变仪对现场试样进行了不同围压条件下的分级加载三轴蠕变试验。结果表明：在相同的偏应力条件下,围压越大,蠕变变形和瞬时变形越小;蠕变变形量随着载荷级数的增加呈现先减小,然后稳定,最后急剧增大的规律。另外,粉砂岩的起始蠕变速率随着围压的增大而减小。通过分析粉砂岩蠕变曲线的变化趋势,并考虑到蠕变过程中的损伤和硬化效应,采用非线性蠕变模型拟合实验数据。拟合结果表明非线性蠕变模型能够描述粉砂岩的蠕变特性。     

基于短期室内试验推导长期稳态蠕变率的盐岩本构模型

由于试验时间的限制,短期室内试验测得的稳态蠕变速率往往为现场实测的5～50倍,故如何通过持续时间较短的蠕变试验结果推求出盐岩长期稳态蠕变率是盐岩蠕变特性研究中的一大难点。基于盐岩蠕变特性的现有理论研究,提出利用新的本构模型解决上述难题。结合典型盐岩蠕变本构模型Lubby2和IfG-GS的优点,提出能够描述盐岩从一期自动进入二期蠕变全过程,且能够进一步发展为考虑蠕变损伤和失稳的Lubby2_Ⅰ-Ⅱ模型。基于江苏金坛盐岩的试验数据,求得3个蠕变本构模型的参数,并用以计算盐样的稳态蠕变率和金坛储气库的变形量。结果表明:Lubby2_Ⅰ-Ⅱ模型不仅能够较好地描述盐样的实测蠕变曲线,且与金坛储气库二期稳态蠕变率的反演现场值接近。这一结果很好地验证了Lubby2_Ⅰ-Ⅱ模型基于短期室内试验推导现场条件下的盐岩长期稳态蠕变率的可靠性。     

盐岩非线性流变性态及地下复杂溶腔变形数值分析

针对平顶山盐田盐岩层数多、单层厚度薄、泥岩夹层多的特点,建立等效复合单元代替互层状盐岩体,利用ABAQUS软件对马庄井田的地下溶腔进行三维数值模拟研究,探讨不同内压下,腔周塑性区围岩的非线性流变性态以及溶腔体积缩减规律。结果表明:(1)等效复合单元在稳态蠕变阶段具有较好的数值稳定性,泥岩能有效地限制黏塑性区范围以及围岩向洞内位移的发展;(2)在围压(8 MPa)作用下,互层状盐岩单元体基本呈现线性小变形特征,溶腔体积收缩率与蠕变持续时间均呈现最低值,分别为3%与2.5 a,随着内压增大(8~12 MPa),互层状盐岩单元体开始呈现非线性蠕变,但经过较短时间后(2.5 a)体积收缩率逐渐稳定至一较小值,约为3.5%,随着内压的迅速减小(≤4 MPa),腔周盐岩逐渐呈现非线性大变形特征,表现为稳态蠕变时间增长,蠕变速率增加,5 a后围岩蠕变仍在稳定增加;(3)塑性区围岩内的黏滞系数随时间普遍加大,体现了互层状盐岩在储气运行过程中越来越稳定的变形趋势,因此,实际运行时储气压力应控制在合理范围(4~12 MPa),尤其要减少在较小内压下的蓄气运行时间。     

三轴应力下盐岩声发射特征研究（研究生论坛稿件）

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI–2声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展不同围压下盐岩的三轴压缩声发射定位试验,探讨盐岩轴向加载过程中声发射特征的围压效应。研究结果表明：盐岩AE定位点多少与振铃计数率大小、能率高低具有良好的一致性。声发射高计数、高能率、定位点集聚段等随围压增加而滞后。低围压下,盐岩发生剪切破坏,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要出现在屈服阶段和峰值应力前阶段;高围压下,盐岩呈塑性大变形特征,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要在峰值阶段及峰后阶段出现。围压增加,累计计数和定位点的总量呈减少趋势;最大能率和累计能量随围压增加而减小,5MPa约分别为30MPa的43倍和22倍。     

堆石蠕变与颗粒破碎特性三轴试验

为分析堆石的蠕变规律和研究颗粒破碎与蠕变的关系,对某堆石料进行了不同应力水平和围压下的大型三轴排水蠕变试验。蠕变试验后通过筛分试验测量了堆石的颗粒破碎程度。结果表明堆石的蠕变变形与应力水平和围压有关;轴向蠕变和体积蠕变随应力水平的增大而增大,应力水平相同时则随围压增大而增大。堆石的应变一时间关系可用幂函数表示,轴向应变一应力关系和体积应变一应力关系分别满足双曲线函数和线性比例函数。随应力水平和围压的增大,堆石颗粒破碎增多。堆石颗粒破碎可用相对颗粒破碎指数度量,其与轴向蠕变和体积蠕变近似呈线性比例关系。     

三轴应力下盐岩声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射(AE)3维定位实时监测系统,开展不同围压下盐岩的三轴压缩声发射定位试验,探讨盐岩轴向加载过程中声发射特征的围压效应。结果表明:盐岩AE定位点多少与振铃计数率大小、能率高低具有良好的一致性。声发射高计数、高能率、定位点集聚段等随围压增加而滞后。低围压下,盐岩发生剪切破坏,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要出现在屈服阶段和峰值应力前阶段;高围压下,盐岩呈塑性大变形特征,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要在峰值及峰后阶段出现。围压增加,累计计数和定位点的总量呈减少趋势;最大能率和累计能量随围压增加而减小,围压为5 MPa时分别约为30 MPa时的43倍和22倍。     

砂型及金属型铸造ZA27合金的压蠕变行为

本文作者采用自制的试验装置研究了ZA27合金在砂型和金属型铸造条件下的压蠕变行为.结果表明,合金第一阶段的压蠕变量和稳态蠕变速率随着温度和应力的增高而增大,在较低温度时,金属型铸造合金第一阶段的蠕变量低于砂型铸造合金.合金的压蠕变符合于经验公式lnt=C-nlnσ+Q/RT,砂型铸造合金的应力指数n和蠕变激活能Q分别为3.87和85.26KJmol-1,而金属型铸造合金的应力指数和蠕变激活能分别为3.46和81.09KJmol-1.合金的压蠕变由锌的点阵自扩散和位错的攀移控制,在整个试验温度和应力范围内,砂型铸造合金的压蠕变抗力高于金属型铸造合金.     

砂型及金属型铸造ZA27合金的压蠕变行为

本文作者采用自制的试验装置研究了ZA27合金在砂型和金属型铸造条件下的压蠕变行为。结果表明，合金第一阶段的压蠕变量和稳态蠕变速率随着温度和应力的增高而增大，在较低温度时，金属型铸造合金第一阶段的蠕变量低于砂型铸造合金。合金的压蠕变符合于经验公式Int=C-nlnσ Q／RT，砂型铸造合金的应力指数n和蠕变激活能Q分别为3．87和85．26KJmol^-1，而金属型铸造合金的应力指数和蠕变激活能分别为3．46和81．09KJmol^-1。合金的压蠕变由锌的点阵自扩散和位锗的攀移控制，在整个试验温度和应力范围内，砂型铸造合金的压蠕变抗力高于金属型铸造合金。     

三轴压缩条件下胶结充填体能量耗散特征分析

开展不同灰砂配比、质量分数的充填体三轴压缩试验,研究了不同围压加载阶段充填体的能量耗散与围压、应变以及应力的内在关系.结果表明,在低围压时,充填体的极限抗压强度低;随着围压的增加,充填体的峰值强度随之增大,峰前能耗占总能耗的比重越来越大,说明充填体屈服阶段吸收的能量占总能量的比重提高,围压的增大能够提高充填体的破坏能耗量;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压呈二次函数曲线关系.当围压一定时,充填体在弹性变形阶段的能量变化与轴向应力、偏应力均呈线性关系,与轴向应变呈指数函数曲线关系;随着轴向载荷增加,能量随轴向应力、偏应力变化的增长速率加大.     

泸定大渡河桥冰碛土剪切蠕变特性试验研究

川藏高速公路泸定大渡河桥康定岸为巨厚层冰碛土。为研究冰碛土剪切蠕变特性和桥梁重力锚长期变形,采用自动数据采集系统开展现场剪切蠕变试验。基于试验成果,分析冰碛土剪切蠕变特性、蠕变模型和重力锚长期变形。研究表明:冰碛土瞬态蠕变持续时间一般不超过0.1 h,且具有加载后延迟变形的现象;减速蠕变阶段蠕变速率呈波动性下降;稳态蠕变阶段往往表现出阶梯状增长和多段变化特征,在剪切变形时间曲线上出现跳跃现象,反映了土体骨架颗粒的变形调整作用。在冰碛土剪切蠕变试验中,当剪应力低于长期强度时蠕变变形量较小,呈蠕变速率逐步减小的收敛型蠕变特征;当接近及超过长期强度时,蠕变变形量快速增大。针对冰碛土收敛型蠕变特征,采用非线性修正的Burgers模型描述冰碛土的剪切蠕变特征。根据泸定大渡河桥重力锚应力水平对应的试验成果拟合模型,预测泸定大渡河桥重力锚长期变形为毫米量级,并采用时序InSAR技术和深部位移监测结合的方法进行初步验证,给出了利用剪切蠕变试验成果分析构造物长期变形的方法,可供设计参考。     

大岗山水电站坝区辉绿岩流变特性的三轴试验研究

为解决大岗山水电站坝基的辉绿岩的流变力学问题,利用RLW-1000三轴流变仪进行了不同应力路径下的三轴流变试验,得到了各工况下的应力-应变-时间曲线。结果表明：辉绿岩是典型的硬脆性岩石,存在明显的流变门槛值,破坏时表现为突发性的脆性破裂。在破裂应力水平下表现出减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变,减速蠕变和加速蠕变历时都十分短暂。临近破裂时的横向蠕变速率均不同程度的大于轴向,这是导致岩石扩容的主要原因。由于流变过程中损伤不断发展,导致岩石整体强度下降,因此流变破坏强度普遍低于常规三轴压缩试验瞬时破坏强度。辉绿岩存在一定的蚀变现象,蚀变矿物呈细鳞片状集合体。由于蚀变带的存在,使得岩块的强度受到影响,岩石破裂极易发生在结晶程度较差的矿物颗粒部位或胶结程度较差的两种矿物接触部位。