紫红色泥岩三轴蠕变力学特性试验研究

为揭示泥岩在不同应力环境下的蠕变力学特性,对取自某在建工程的紫红色泥岩分别进行围压为0.5,1.0,2.0,5.0 MPa的分级加载蠕变试验。试验研究表明围压越大,泥岩的强度越大,塑性变形能力越强,流变特性越显著;相同围压下,稳态蠕变速率随偏应力呈幂指数函数型增长;相同偏应力下,稳态蠕变速率随围压升高而降低;利用等时应力-应变曲线法,得到泥岩的长期强度分别为11,16,22.5,29 MPa,均较各自围压下短期强度值降低40%~45%;通过摩尔强度准则得到的长期内聚力和内摩擦角分别为3.09 MPa和34.8°,分别较短期参数降低20.6%和25.9%。根据研究成果给出了一种带应变触发的分数阶蠕变本构模型,理论曲线与试验曲线拟合度良好,能较好地模拟泥岩的蠕变全过程。     

砂岩分级加卸载蠕变特性试验研究

为了研究砂岩的蠕变力学特性,采用RLW-2000型流变试验机进行三轴分级加卸载蠕变试验。通过黏弹塑性应变分离的方法,得到砂岩在不同偏应力水平下的瞬时弹性、瞬时塑性、黏弹性和黏塑性应变,并对黏弹塑性应变及弹性模量的变化规律进行探讨。试验结果表明:岩石蠕变为黏弹塑性变形过程,加载过程中表现有瞬时变形、衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,卸载过程中表现出瞬时及滞后变形恢复现象;岩石初始蠕变速率与稳态蠕变速率比较可达2个数量级的差异,均随偏应力水平的提升而递增;岩石等时偏应力-应变关系表现出明显的非线性特征,曲线逐渐偏于应变轴,岩石蠕变变形同时具有线性和非线性特征。研究成果可为地下工程的长期稳定性研究提供一定参考。     

含水砂岩三轴蠕变力学特性试验研究

巷道顶板在水的作用下具有较强的蠕滑特性,对矿井开挖与生产造成巨大威胁。采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机开展巷道顶板砂岩三轴压缩蠕变试验,研究砂岩在不同含水条件下的蠕变力学特性。试验结果表明:①随着饱水时间的增长和应力水平的提高,瞬时应变和蠕变量都呈递增趋势;②随着含水状态的增强,初始蠕变速率和稳态蠕变速率都逐渐增大,稳态蠕变速率与应力水平呈幂函数关系;③对比分析2种不同的长期强度求取方法,天然状态、饱水1 d和饱水5 d条件下砂岩的长期强度分别为其瞬时强度的64.12%,62.08%,59.34%,砂岩在水的作用下长期强度衰减加剧。     

基于AE统计模型的砂岩蠕变试验研究

为分析水溶液对砂岩蠕变特性的影响,利用RLJW-2000岩石流变伺服仪对3种含水率下的砂岩进行了单轴长期力学行为研究,并利用PAC声发射(AE)监测仪对砂岩试验全过程进行声信号采集。试验结果表明:砂岩在长期荷载下,表现出应变硬化特征,有明显的蠕变稳态阶段,伴随加载的进行,蠕变速率随之增大;随着含水率的增加,相同应力等级下的蠕变速率随之增大。振铃计数率与蠕变速率具有相同的变化趋势,且累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线两者走势基本相同。在假设试验材料服从Weibull统计分布的前提下,通过AE事件数表示岩石的损伤程度,推导出了基于AE事件点的损伤演化方程,相同应力水平下,高含水率砂岩内部损伤发展较低含水率快。比较蠕变曲线和损伤变量曲线的加速临界时间点,发现基于损伤变量得到的临界时间点相对蠕变加速时间点较为提前,说明利用声发射来预测蠕变破坏时间更为准确,这对于实际工程中的灾害防治工作有着重要作用。     

分级加载条件下深部灰岩蠕应变特性研究

为研究深部灰岩蠕应变特性,采用GDS-VIS三轴流变仪对不同深度试样做分级加载单轴蠕变试验。基于试验结果,计算出灰岩长期强度与瞬时强度之比的均值为0.758,且深度越深比值越小;分析不同深度灰岩在各分级应力水平下轴向蠕应变增量与加载级数的变化规律,并将蠕应变增量进行一次累加,得到轴向蠕应变。结果表明:蠕应变增量随级数的增加呈现先减小后剧增的变化规律,且随深度增加,蠕应变增量达到谷底所对应的应力百分比有明显增大趋势;在分级加载过程中,随级数增加,轴向蠕应变先后呈现减速增加、等速增加和加速增加3个发展阶段;当恒载应力百分比为60%~70%时,蠕应变趋于稳定,当超过该范围后,蠕应变加速增加直至发生蠕变破坏。研究得到的这一应力百分比范围可以为识别深部灰岩是否会发生蠕变破坏提供依据。     

循环加卸载下高脆性黑砂岩强度及损伤试验研究

为研究高应力循环加卸载条件下脆性硬岩强度特性和参数演化规律,开展了不同围压水平下的黑砂岩循环加卸载试验,获得了高脆性硬岩全过程应力应变曲线和破裂特征,并借助塑性内变量来表征岩石损伤程度,研究了变形与强度参数随损伤的演化规律。研究结果表明：(1)循环加卸载试验中黑砂岩应力应变曲线存在屈服平台,峰后应力快速跌落,试样以剪切破坏为主;(2)从初始屈服到残余变形过程中,黑砂岩弹性模量呈先减小后增大的变化特征,在塑性内变量为0.80～0.85左右达到最小值,泊松比则呈先增大后减小的趋势;(3)黏聚力先随塑性内变量不断减小,在接近残余强度时保持稳定,而内摩擦角则呈先增大后减小的特征,强度参数与塑性内变量之间的关系可采用线性分段函数表示。     

超贫胶结材料三轴试验

在前期大量单轴试验的基础上,对超贫胶结材料试件进行了三轴试验,得到不同胶凝材料用量、不同围压下的应力-应变曲线,分析了胶凝材料用量及围压对应力-应变曲线的影响,探讨了不同试验条件下试件的强度、体积变形规律以及残余强度等,为超贫胶结材料本构模型的建立奠定了基础。     

基于蠕变力学试验的岩石长期强度研究

某开挖岩质边坡后缘裂缝随时间推移逐渐增加,选取边坡表面出露的砂岩试样,通过干燥与饱和状态下单轴蠕变力学试验,比较不同含水状态下岩石瞬时应变、蠕变应变、总应变变化情况,分析其蠕变速率及长期强度变化特征。结果表明,在不同应力作用下,该类砂岩饱和状态下的应变均大于干燥状态,干燥和饱和砂岩的蠕变应变差异最大,比值范围为20%～31%;受水的作用影响,饱和试样蠕变长期强度较干燥试样下降28. 6%,应加强工程施工及运行过程中降雨量及径向蠕变的监测。     

渗透压与围压对粉砂质泥岩流变特性的影响

为了研究渗透压及围压对岩体蠕变特性的影响,对三峡库区巴东组二段粉砂质泥岩进行了不同围压和渗透压下的三轴蠕变实验。根据试验结果,在分析粉砂质泥岩蠕变特性曲线的基础上,探讨了围压和渗透压对岩体蠕变特性的影响过程和机理。最后,采用等时应力-应变曲线法和稳态蠕变速率法求得了粉砂质泥岩在不同围压和渗透压下的蠕变长期强度。结果表明:①粉砂质泥岩瞬时弹性模量随着偏应力等级的增加而减小;②孔隙水压在蠕变初期能够减小轴向应变,但在蠕变后期由于其有利于裂纹扩展而增大了轴向应变;③渗透压缩短了岩石蠕变破坏的时间,使蠕变破坏呈现出一定的脆性特点;④渗透压的存在有利于岩石裂隙的扩展和贯通,因而降低了岩石蠕变的长期强度,但是围压的存在增大了蠕变长期强度。研究成果为深入认识和了解三峡库区粉砂质泥岩的流变力学特性提供了重要的试验和理论依据。     

基于统一强度理论的岩石三维损伤模型及其验证

本文基于岩石损伤、断裂演化的阶段性特征,将岩石应力-应变曲线分为两个阶段,第一阶段依次包括:Ⅰ-无损伤弹性、Ⅱ-微裂纹演化和Ⅲ-宏观裂纹成核三个内部损伤过程,曲线跨越峰值点;第二阶段包括:Ⅳ-宏观裂纹扩展和Ⅴ-摩擦滑动。鉴于此,提出两种不同类型的曲线拟合单轴应力-应变曲线并建立一维损伤模型。在复杂应力状态下,采用统一强度理论构造复杂应力等效应变,从而将一维损伤模型推广为三维损伤模型的统一框架。该模型参数直接取值单轴应力应变曲线,可表现岩石峰值后演化的重要特征如应力跌落、残余强度等。大量实验数据验证表明,模型曲线与实验曲线符合较好。模型可推广于岩土材料、金属的非线性描述。     

延安Q2黄土三轴蠕变特性试验研究

对延安地区Q₂黄土进行了三轴蠕变试验,通过试验得到了延安Q₂黄土不同含水率及不同围压条件下应变-时间曲线和应力应变等时曲线。经过曲线分析发现,应力水平、围压及含水率对延安Q₂黄土的蠕变特性具有较大影响,且当应力水平高于试样的屈服应力时,Q₂黄土表现出显著的非线性蠕变特性。根据蠕变试验结果及模型原理,利用类比法建立了三维应力状态下的黏弹塑性蠕变模型。在此基础上,建立了考虑瞬时损伤的黄土蠕变本构模型,并运用拟牛顿法对模型中的各项参数进行拟合,结果表明：该本构模型适用于延安地区Q₂黄土的蠕变研究,同时,期望该研究成果能为黄土高原其他地区岩土工程设计提供理论及实践意义。     

不同粒径砂岩力学特性试验研究

为探究不同粒径砂岩长短期力学行为的差异,对取自某水电建设工程现场的粗、中、细三种粒径大小的砂岩进行了短期三轴压缩、三轴渗透以及蠕变力学试验。研究表明：相同围压下,粒径越大的砂岩,其强度、粘聚力及变形量越小;同等粒径下,长短期强度值及变形量随着围压升高呈线性增加;砂岩的渗透率在屈服阶段快速增加并在破坏前后达到最大值,粒径越大的砂岩,其渗透性越强;相同偏应力和围压下,砂岩的稳态蠕变速率随着粒径增大而减小;同等粒径和围压下,稳态蠕变速率随着偏应力增加而呈指数型函数增长;同等粒径和偏应力下,围压越大,其稳态蠕变速率越低;三种粒径砂岩在长期荷载作用下对应的强度较短期值下降了40豫耀60豫,内摩擦角和内聚力则分别较短期值降低了40豫和40豫耀50豫,其中,中砂岩下降幅度最大。     

基于能耗理论的岩石三维蠕变本构模型及临界分段

目前对岩石加速蠕变阶段的启动判定仍是一个难点。为了反映岩石蠕变全过程,基于能量耗散理论,结合蠕变速率特征,以耗散率值作为蠕变三阶段的控制阈值,对蠕变阶段进行临界分段。引入Perzyna黏弹塑性理论,应用到Cvisc元件模型中,建立一种新的加速蠕变启动判定方式的蠕变本构模型,并将其拓展为三维情形。开展砂岩三轴压缩蠕变试验,分析蠕变速率变化特征,研究等时应力-应变关系,提取模型临界分段参数。引用相关文献中泥岩和冻结软岩蠕变试验数据,通过所建模型对3种岩石蠕变试验数据进行辨识,对比试验曲线和预测曲线,验证所建模型描述岩石加速蠕变阶段的优越性,充分显示出所建模型表征蠕变力学行为的合理性和适用性。研究成果为岩石蠕变阶段的划分及力学行为的模拟提供一种新思路。     

考虑残余强度和阈值影响的岩石弹性损伤统计模型

基于统计学理论和损伤理论,考虑岩石的残余强度和损伤阈值影响,建立了三轴压缩条件下岩石损伤统计模型。以损伤模型为基础,利用岩石在低围压作用下应力应变的极值特性,导出了模型参数的统一求解方法。通过与试验数据的对比和验证发现:以Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则计算岩石微元强度比以轴向应变函数计算岩石微元强度能更好地反映岩石的力学特性,说明了岩石的破坏进程与其应力状态密切相关;为考虑残余强度,引入损伤变量修正系数,在此基础上提出一种求解该修正系数的新方法,从而使得模型得出的理论曲线能很好地接近试验数据;以屈服点的微元强度为损伤阈值点,避免了损伤系数在低荷载下不在[0,1]之间的情况。最后通过分析岩石损伤变量的变化过程,证明了该模型可以很好地反映三轴受压状态下岩石的应力-应变关系。     

考虑温度效应的冻结黏土内变量蠕变模型分析

在冻结法施工中掌握冻土的蠕变特性对工程的安全评价至关重要。采用山西某矿井深部黏土,在负温条件下进行原状土单轴压缩试验与分级加载蠕变试验,研究冻结黏土破坏时的形态、一系列温度下的单轴抗压强度与蠕变曲线的形式。试验得出单轴抗压强度随温度降低呈线性变化,同一加载应力下的蠕变值随着温度的降低而减小。引入内变量理论并将应变作为内变量来描述冻土的蠕变特性,分析蠕变与蠕变率取对数的拟合曲线发现两者具有线性关系,进而建立只与温度和加载系数有关的内变量蠕变模型,模型参数可通过拟合曲线确定。将蠕变的计算值与试验结果对比,发现该模型可以较好地反映冻结黏土的蠕变,且模型参数少,便于工程应用。