典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究

 红层软岩边坡岩体中软弱夹层发育且具有蠕变性,很多边坡岩体的失稳破坏都是沿软弱结构面的滑移失稳,软弱夹层剪切强度参数的选取是边坡工程勘察中的关键问题。通过2个典型红层软岩边坡工点软弱夹层样品室内剪切蠕变试验研究,表明红层软岩软弱夹层具有显著的蠕变特性,在边坡剪切强度参数选取中应考虑软弱夹层蠕变的影响。通过软弱夹层长期强度与短期强度试验资料分析,建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的75%。     

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。     

高速铁路红层软岩路基时效上拱变形机制研究

红层软岩地区高速铁路路基在运营期出现持续上拱变形,已成为当前阻碍我国高速铁路发展的又一关键因素,为揭示引起红层软岩地基时效性上拱变形机制,以西南地区某典型红层软岩深挖路堑路基上拱变形病害工点为依托,在现场工程地质与水文地质调查分析的基础上,结合基底地应力测试、红层软岩的吸水膨胀性试验和不同水理条件下的蠕变性试验结果,从地基岩体赋存的水、力环境、红层泥岩的时效性膨胀特性和水-力耦合蠕变特性角度,建立红层软岩地基分层变形机制模型,并系统分析地基短期、中期和长期上拱变形机制和特征。研究成果表明:(1)上拱区段属红层泥岩夹薄层砂岩的近水平地层结构,开挖法向卸荷引起浅层岩体微观裂隙松弛而视显,深层岩体仍为完整,地基岩体水平切向应力显著增大导致路基变形具有明显的结构效应;(2)侧向约束轴向自由下,红层泥岩吸水的时效性变形特征与其岩性及结构特征有关;(3)红层泥岩在低应力状态下即表现出典型的三阶段蠕变变形特征,且轴向应力越小,蠕变应变比越大;(4)水-力耦合作用下红层泥岩蠕变特性更为显著,大量级卸荷情况下上拱蠕变显著增大,蠕变稳定持续时间增长;水汽-力耦合作用下仍会出现显著的蠕变变形,蠕变稳定持续时间更长,总蠕变应变相对减小;(5)根据不同层位岩体的变形机制,将红层软岩地基划分为大气影响层(C1)、水汽-力耦合变形层(C2)、水-力耦合变形层(C3)和水-力耦合封闭层(C4)。路基短期变形主要由C1层岩体引起、中期变形由C3和C4层岩体引起、长期变形由C2层岩体引起。研究成果可为红层软岩地区高速铁路路基时效性上拱变形风险评估、预测及工程控制措施的设计提供理论支撑或参考。     

高应力泥质粉砂岩蠕变特性及长期强度研究

岩石在高应力状态下呈现蠕变特性是深埋硐室稳定性研究的热点问题之一。为研究高应力泥质粉砂岩蠕变特性及长期强度,采用分级增量加载方式,对泥质粉砂岩试样进行三轴压缩流变试验,试验表明:泥质粉砂岩在低应力状态下表现为黏弹性蠕变特征,高应力状态下呈现黏弹塑性蠕变特征。通过将高应力岩石蠕变的瞬弹、黏弹、黏塑性蠕变进行分离,建立稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数关系,提出以稳态黏塑性蠕变速率的阈值应力作为高应力泥质粉砂岩的长期强度。研究表明,基于稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数关系确定的高应力泥质粉砂岩的长期强度为单轴抗压强度的70.5%,该方法可以较好地解决高应力岩石长期强度求解的问题。     

川中红层泥岩时效膨胀变形特性试验研究

四川盆地及周边山地广泛分布俗称为"川中红层"的侏罗系泥岩,是一种典型的软岩,其强度低,易风化崩解,流变特性显著,具有一定的膨胀特性,是引起该地区多处高速铁路路基长期持续性上拱变形的一个重要因素。为揭示红层泥岩在浸水条件下的时效变形特性,以川中红层典型泥岩为对象,在室内开展原状岩样浸水物化膨胀性试验,分析红层泥岩的吸水膨胀变形随时间的变化规律及其影响因素。试验结果表明,常规膨胀性指标显示川中红层泥岩为非膨胀岩,或仅具有弱膨胀性,原状岩样吸水膨胀率较小,但具有显著的时间效应;采用类Kelvin体建立红层泥岩膨胀蠕变模型,模型参数K和η可有效度量膨胀蠕变的极限应变及黏滞特性;原状岩样的结构性是影响其吸水率的重要因素,通过岩屑筛分试验获得最大含量粒组颗粒粒径dmax、细粒和微粒质量占比ω1.0和有效粒径d10三个参数,可以定量判断泥岩的吸水特性和膨胀特性,dmax越小、d10越小、ω1.0越大,则泥岩的吸水率越大,膨胀性越强。研究成果对川中红层泥岩地层高速铁路路基长期持续性上拱变形的机制认识及治理方案论证具有参考作用,并为红层泥岩物理、水理及力学特性及其相互关系的定量研究提供基础。     

坝肩高边坡层间错动带剪切蠕变特性与模型研究

高坝工程坝肩边坡岩体深部层间错动带的蠕变力学特性与蠕变损伤特性,直接影响着水电工程的长期稳定性与整体安全性。以某坝肩高边坡岩体层间错动带的剪切蠕变力学试验为基础,研究了层间错动带的剪切蠕变力学特性,分析了层间错动带的长期剪切强度参数和加速蠕变特性及蠕变速率变化特征;通过对层间错动带加速蠕变过程中损伤演化特性的分析,研究了考虑层间错动带岩体力学参数弱化和伴随加速蠕变变化的蠕变损伤效应,并基于西原流变模型和蠕变损伤演化方程,建立了能够反映高边坡层间错动带蠕变损伤演化过程的本构模型;而后通过对比数据拟合结果与试验结果,对提出的本构模型进行验证,显示所建立本构模型的正确性与合理性。     

不同膨胀状态下膨胀岩剪切蠕变试验研究

对不同膨胀状态下的膨胀岩进行无膨胀作用的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变完全耦合的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变不完全耦合的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变分开耦合的剪切蠕变试验。得出如下试验结果:膨胀与蠕变耦合的剪切蠕变曲线与无膨胀作用的剪切蠕变曲线有相似规律性。膨胀和蠕变耦合方式对膨胀岩长期强度影响显著,具体表现为膨胀作用下的膨胀岩长期强度远小于无膨胀作用下的膨胀岩长期强度,膨胀与蠕变完全耦合下的膨胀岩长期强度低于膨胀与蠕变分开耦合下的膨胀岩长期强度。对于膨胀与蠕变完全耦合作用下的膨胀岩,求出了法向应力与长期强度拟合关系式;对于膨胀与蠕变分开耦合作用下的膨胀岩,求出了预加法向应力与长期强度拟合关系式。     

四川盆地红层泥岩的基本特性和膨胀性及软化的试验研究

通过对红层泥岩的分布、风化及基本特征的分析,说明了四川盆地红层泥岩的工程特性;利用击实试验、三轴压缩试验、膨胀率试验、软化等试验研究,对红层泥岩散体及的工程特性有了较为详细的掌握,为四川盆地红层泥岩在交通建设中的合理使用提供了试验依据。     

不同含水率冻融后红砂岩剪切蠕变特性

针对高海拔地区岩体在冻融作用及含水状态下的劣化特征及长期稳定性,对不同含水率红砂岩进行了冻融后核磁共振检测及剪切蠕变试验,揭示了冻融循环及含水率变化对红砂岩细观结构及蠕变特性的影响机制,据此构建合理的剪切蠕变模型。研究结果表明:在冻融作用下,饱水红砂岩呈现出由小尺寸孔隙增长向中小尺寸孔隙共同增长的趋势,而饱和红砂岩主要以中、大孔隙增长为主。在长期荷载作用下,随着含水率的增加,冻融后红砂岩的蠕变量普遍增大,而长期强度及长期折减系数显著降低,破坏前试样更易出现加速蠕变特征,破坏后试样宏观形态更为碎裂。根据红砂岩的冻融损伤及时效性损伤效应,建立了红砂岩冻融剪切蠕变模型,并对模型进行了参数优化辨识,借此验证了模型的正确性及合理性。研究结果对于冻融岩质灾害的防控和评价具有参考价值。     

甘肃天水泥岩剪切蠕变行为及其模型研究

合理描述红层软岩的蠕变规律对于甘肃天水地区各类建筑物的长期稳定性和安全运营非常重要。为研究天水地区泥岩的蠕变特性,采用三轴蠕变仪,开展不同加荷方式和不同含水率的泥岩蠕变试验,获取应变–时间关系,分析其蠕变过程和蠕变特征,建立适宜的蠕变模型。研究结果表明,随应力水平和时间的增加,泥岩蠕变量有缓慢增长趋势,但最终保持某一稳定值。泥岩的蠕变量随着应力差、围压以及含水率的增长呈增大趋势;不同围压和含水率情况下,随时间的增加,泥岩的蠕变量逐渐增长,其等时曲线亦逐渐向应变轴偏移;从试样等时曲线拐点推测,一定应力水平下蠕变量达到了长期强度。基于岩石蠕变参数的辨识,西原模型、逻辑回归模型和指数型经验模型均与试验数据良好吻合,能很好地反应低应力水平下的从弹性变形到衰减蠕变、稳定蠕变的全过程,其中逻辑回归模型和指数型模型能更好地反应泥岩的蠕变特征曲线和参量。所建立的非线性蠕变模型可用于描述该地区红色泥岩的蠕变力学特性,因而具有一定的工程应用价值。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

紫红色泥岩剪切流变力学特性分析

针对五里堆2#滑坡内的巴东组T2 2b紫红色泥岩,进行室内岩石剪切流变试验,对泥岩在剪切变形过程中的流变特征进行深入研究。选用五元件黏弹性剪切流变模型建立流变方程,用Origin工具函数Exp Assoc拟合泥岩具有黏弹性特征的试验曲线,确定泥岩的黏弹性剪切流变参数。同时,利用流变参数对泥岩的流变曲线进行深入分析。基于泥岩的剪切流变试验,确定泥岩的长期强度参数。与泥岩的瞬时强度参数相比,长期强度参数有所降低。因此,用长期强度参数对滑坡进行设计更能保证工程的安全性。     

Effect of initial water content and shear stress on immersion-induced creep deformation and strength characteristics of gravelly mudstone

Soft sedimentary rocks undergo deterioration due to weathering induced by dry–wet cycles in a process known as slaking. To investigate the effect of the initial water content and shear stress on the immersion-induced creep deformation and strength characteristics of gravelly mudstone (slaking index = 1 and 2), creep tests were conducted using a modified direct-shear-test apparatus under different creep-stress ratios. Crushed mudstone with different degrees of compaction and initial water content was subjected to immersion under the creep-shear-stress conditions. After the creep shear and vertical displacements stabilized, a monotonic shear loading was applied. During creep immersion, the increment in the creep-shear displacement increases as the creep-stress ratio increases and the initial water content and/or degree of compaction decrease. Retaining a high initial water content in crushed mudstone is recommended to maintain its shear-stress stability. Under the same density, the peak shear strength decreased with an increase in the increment of the creep-shear displacement during creep immersion. The results indicate that the occurrence of immersion-induced creep deformation in addition to slaking can result in the deterioration of slope stability.     

第一拐点法确定结构面长期强度的研究

在岩石双轴流变试验机上进行了圆柱体标准试件单轴抗压强度试验、结构面常规剪切试验以及结构面剪切蠕变试验,利用蠕变曲线第一拐点法确定了不同粗糙度结构面试件在不同法向应力条件下的长期强度,并将其与结构面的瞬时强度进行了对比。     

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。     

昆明泥炭土直剪蠕变特性及长期强度试验研究

昆明泥炭土的蠕变特性影响着该地区各类建（构）筑物的长期稳定性和结构安全。采用改进的应力控制式直剪仪,以分级加载方式开展一系列的直剪蠕变试验,研究不同固结压力下剪应变随剪应力与时间的变化规律,以及长期强度与短期强度间的关系。结果表明：昆明泥炭土具有显著的非线性蠕变特性,当剪应力较低时,直剪蠕变曲线表现为衰减稳定蠕变;随着剪应力增大,蠕变曲线会同时出现衰减稳定蠕变和非稳定等速蠕变;当剪应力较大时,则会呈现出加速蠕变现象,并快速发生破坏。在施加水平剪应力的瞬间,泥炭土即产生较大的剪切应变,且瞬时应变随着剪应力的增加而加大,而瞬时应变占总应变的比例逐渐降低,表明泥炭土在高剪应力水平下,蠕变现象加剧。与短期强度相比,泥炭土长期强度的黏聚力和内摩擦角均有一定程度的下降。当固结压力为50~400kPa时,长期强度约为短期强度的57%~70%。     

枯竭油气田中废弃井密封性研究

利用X粉晶衍射技术进行板新803井中泥岩盖层成分测试,通过室内常规力学与蠕变实验,分析泥岩的力学性质与蠕变变形特征。利用FLAC3D软件对钻孔周边围岩进行数值模拟计算,分析不同时间时泥岩的蠕变变形,研究泥岩层段缩径变化规律,在此基础上分析废弃井的密封性。通过以上研究获得如下主要结论:(1)泥岩中含有较多的伊利石、高岭石与绿蒙混层等黏土矿物,易产生井壁垮塌;(2)泥岩在长期围压作用下,将会产生较大的蠕变变形,在有钻井液作用时,变形更明显;(3)钻具周围泥岩通过蠕变变形向环空内挤压,经过30 a产生的变形会使井壁与落鱼之间的环空由下而上充填满;在考虑泥岩遇水后产生的掉块与扩径作用时,35 a后环空也将被充填满,原有泥岩盖层被密封,从而产生较好的密封效果。     

泥岩蠕变损伤试验研究

 在岩石蠕变过程中,施加载荷超过某个应力水平后,其强度会随着时间和应力逐渐降低,这种损伤规律可以定量地用岩石基本力学参数如弹性模量E、黏聚力c和内摩擦角j 降低的多少来反映。对宝鸡市秦源煤矿泥岩进行8个不同应力水平、3个不同时间段蠕变试验,采用单试件法测得泥岩蠕变过程中各力学参数E,c,j的变化值,对试验数据进行分析,建立该泥岩E,c,j随应力水平、长期强度及时间的耦合函数关系,它们之间呈指数衰减变化。分析耦合函数中各个系数的特点,得到泥岩力学参数损伤规律的通用表达式,式中各参数物理意义明确,测试简单。其研究结果为建立岩石损伤流变本构模型奠定基础。     

压实度对红层泥岩土中土工格栅拉拔性能影响的试验研究

通过室内拉拔试验,研究压实度对土工格栅与红层泥岩界面拉拔性状的影响,试验结果表明,土工格栅在红层泥岩中主要表现为拔出破坏。随着压实度的增大,在一定程度上提高筋土界面的峰值剪应力;在压实度一定的情况下,随着竖向应力的增加,筋土界面剪应力峰值增大,其对应的剪切位移减小。由于土与土工格栅接触面的剪胀造成该类接触面的界面剪应力峰值与竖向应力不再是线性关系。