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。     

软岩非线性蠕变模型研究

以工程实际中广泛应用的元件组合模型为基础,通过引入损伤变量和硬化变量,建立了一个软岩非线性蠕变模型。分析认为,Maxwell体等价于一个线性损伤的虎克弹性体,Kelvin体相当于一个线性硬化的牛顿黏性体,Burgers体则是一个能同时描述线性损伤、硬化的模型。软岩蠕变过程中,其微观结构会发生变化,并导致软岩形变行为产生相应的改变,引入非线性损伤、硬化变量代替Burgers模型中的线性损伤、硬化变量,可以反映这种改变对软岩蠕变的影响。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三个阶段的变形特征。将该模型与试验曲线进行对比,两者吻合较好。     

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。     

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.     

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。     

盐岩非线性蠕变损伤本构模型及其工程应用

盐岩以其良好的流变、低渗透率及损伤自我恢复等特性,是目前国内外公认的能源、废弃物贮存和高放射废物地质处置的首选介质。结合金坛储气库盐岩三轴蠕变的研究成果,建立盐岩三维蠕变损伤的本构方程和损伤演化方程,并将建立的本构方程编制成有限元计算程序,模拟金坛储气库在注采过程中的蠕变和损伤演化的影响范围。研究成果对金坛储气库的运行压力设计具有一定的参考意义。     

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。     

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。     

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。     

工程岩体非线性蠕变损伤力学模型及其应用

 针对元件组合流变模型多半反映的是蠕变线性关系或发生加速蠕变时间过快的不足,根据工程现场压缩蠕变试验成果,提出工程岩体流变效应的损伤因子,建立非线性损伤黏弹塑性本构模型,通过ABAQUS编制程序并采用压缩蠕变试验的数值模拟,验证蠕变模型和编制程序的正确性。最后,将此非线性蠕变损伤模型应用于大岗山水电站地下厂房的施工开挖全过程的数值仿真,并对考虑损伤和未考虑损伤2种工况的计算结果进行对比分析,结果表明,考虑岩体损伤工况下的围岩体塑性屈服范围和程度、洞壁位移值趋势能更客观地反映工程岩体的变形和破坏特征。     

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。     

沉积软岩的三轴蠕变实验研究及分析评价

在常年恒温、恒湿的实验室中，在不同围压以及不同应力比条件下，对3种沉积软岩系统地进行了长期三轴蠕变压缩实验研究。对所获得的大量实验结果进行研讨后，运用粘弹性流变模型求得非破坏时各种软岩的蠕变系数，同时，用柔量可变模型模拟破坏时的蠕变行为。系统地把握了多种软岩在不同条件下的强度、变形特性，探讨了各种软岩的变形、变形速率、时间依存性等影响因素，为预测软弱岩体的长期力学稳定性提供了重要依据。     

岩体真三轴现场蠕变试验系统研制与应用

 针对高地应力环境岩体开挖卸荷后应力变化复杂等特点,研制RXZJ–20000型微机伺服控制岩体真三轴现场蠕变试验系统。详细介绍该系统的主要结构、功能特点及使用方法。通过工程实践验证,该系统具有高应力、大尺寸、全过程、高精度、高效率、多功能及拆卸安装方便等特点。RXZJ–20000型现场真三轴蠕变系统改变了目前现场蠕变试验设备载荷水平低、压力波动大、测试精度低、应力路径单一、自动化程度不高的状况。该系统的成功研制,为研究深部岩体在多向应力条件下的时效性提供新的手段,是目前国内外最先进的大型现场伺服试验仪器,适用于大型人工边坡、深埋大跨度隧道及地下洞室的坚硬岩体和软岩长期蠕变试验。     

深层盐岩本构关系及其在石油钻井工程中的应用研究

在大量现场盐岩蠕变力学试验的基础上，对盐岩的蠕变特性进行了研究，分析了稳态蠕变规律，提出了稳态蠕变三维分析方程，并针对深层盐岩地区石油钻井中的泥浆密度确定难题，采用FLAC^3D软件，给出了优化的泥浆密度图谱，为合理进行钻井液密度设计奠定了基础。     

滨海软土蠕变特性及蠕变模型

如何合理地描述滨海软土的蠕变规律对软土地基工程是十分重要。三轴蠕变试验研究表明，滨海相沉积的软土具有非线性蠕变的特性，双曲线型更适合其应力-应变关系。修改了Singh-Mitchell模型的应力-应变关系，建议了滨海软土的应力-应变-时间关系。所提出的蠕变模型具有参数少、适用性较强的特点。