真实水压作用下裂隙大理岩蠕变特性试验研究

软弱层间带裂隙岩石的水压弱化效应是水利工程长期稳定研究的重要方向。针对锦屏一级坝肩软弱层间带裂隙大理岩在高水压力作用下的长期变形特性,采用特定的岩石流变试验系统,开展不同水压作用下预制裂隙大理岩的蠕变试验,结合典型蠕变过程曲线分析水压对裂隙岩石蠕变变形、蠕变速率、蠕变破坏荷载及长期强度的影响,并基于蠕变破坏断口的电镜扫描成果,从细观角度分析岩石蠕变破坏机制。结果表明：裂隙岩石宏观破裂现象与断口微观特征相吻合,随着水压的增加,岩石破裂形式逐渐由张拉破裂向剪切破裂过渡,破裂断口由凹凸锯齿状逐渐趋于平滑。压力水沿岩石裂隙的“楔入”可加速原始裂纹的发育,促进岩石的蠕变发展,水压越大,“楔入”效应越明显,加速蠕变速率越大,加速阶段持续时间越短,蠕变破坏的分级荷载越小;相较于稳定蠕变阶段,水压对加速蠕变阶段的影响效应更大。裂隙岩石长期强度约占完整岩石峰值强度的50%~70%,水压的增大会降低岩石的长期力学性能,并加速岩石的蠕变破坏,工程中建议取稳定蠕变阶段最大一级强度作为裂隙岩石的长期强度。研究成果的应用可提高锦屏一级水电站长期稳定运行评估的准确性,并为裂隙岩石蠕变本构模型研究提供重要支撑,具备显著的工程应用与理论研究价值。     

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。     

含杂质盐岩三轴蠕变特性试验研究

针对杂质盐岩蠕变力学特性问题,利用大型程控流变仪,对两种不同杂质盐岩进行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3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。     

锚土界面位移特征及其蠕变损伤耦合效应研究

为了获得拉拔荷载作用下土锚结构加速蠕变破坏时间和时效损伤的传递特征,建立了能反映锚固结构蠕变三阶段变形特征的塑性加速元件模型,根据土锚结构蠕变位移的构成特点,对加速蠕变破坏时间、脱黏段范围相对剪切位移、锚固失效时锚固段的剪切位移、锚土界面时效损伤变量进行解析计算.结果表明:在逐级加载过程中锚土界面损伤具有明显的非线性损伤特征和加速蠕变位移,且损伤变量在锚固段顶端脱黏范围的损伤程度最大,而在锚固段底端损伤最小,同时随着时间的延续,损伤也逐渐增大,同时损伤加速的时间还与加速蠕变的时间较吻合.控制加载速率与极限拉拔力和减小锚固段顶端脱黏段范围的相对剪切位移,有助于土锚结构工程的时效稳定性.     

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。     

坝区辉绿岩体的长期剪切流变强度分析研究

岩体长期剪切流变强度是进行岩体工程长期运行稳定分析的重要基础。以大岗山水电站坝区辉绿岩现场剪切流变试验数据为基础,分别采用等时应力-应变曲线法、非稳定蠕变判别法和稳态蠕变速率法计算获得坝区辉绿岩的长期剪切流变强度,并进行了对比分析。采用等时应力-应变曲线法分析坝区辉绿岩的长期剪切流变强度较为科学合理。与岩体瞬时抗剪强度相比,长期剪切流变强度因裂隙损伤扩展有所降低,坝区岩体长期剪切流变的内摩擦角衰减了30.7%,长期剪切流变的粘聚力衰减了22.6%。     

坝区辉绿岩体的长期剪切流变强度分析研究

岩体长期剪切流变强度是进行岩体工程长期运行稳定分析的重要基础。以大岗山水电站坝区辉绿岩现场剪切流变试验数据为基础,分别采用等时应力-应变曲线法、非稳定蠕变判别法和稳态蠕变速率法计算获得坝区辉绿岩的长期剪切流变强度,并进行了对比分析。采用等时应力-应变曲线法分析坝区辉绿岩的长期剪切流变强度较为科学合理。与岩体瞬时抗剪强度相比,长期剪切流变强度因裂隙损伤扩展有所降低,坝区岩体长期剪切流变的内摩擦角衰减了30.7%,长期剪切流变的粘聚力衰减了22.6%。     

坝区岩体的剪切蠕变经验方程及参数数值反演

岩体的剪切蠕变特性是影响坝区边坡岩体变形与长期稳定性的重要因素之一。利用现场剪切蠕变试验数据回归拟合得到了坝区“硬、脆、碎”辉绿岩脉的剪切蠕变经验方程,并由最小二乘法得到了剪切蠕变经验方程的拟合参数;提出了可以真实模拟现场剪切蠕变试验过程以及岩体实际地层分布情况的蠕变参数数值反演分析方法。通过对比分析可知,回归拟合变形值及数值反演计算变形值均与试验变形值比较接近,最大误差均未超过8％,表明剪切蠕变经验方程能有效反映坝区岩体的剪切蠕变变形特性,且建立的剪切蠕变数值模型也是合理可靠的,这为深入认识和了解坝区辉绿岩脉在不同应力水平下的剪切蠕变力学特性提供了重要的试验和理论依据,也为坝基边坡工程稳定性分析和设计提供了技术参数保证。     

提供兴康特大桥反力的隧道锚蠕变试验研究

由于鲜有悬索桥隧道锚现场缩尺模型蠕变试验资料可供参考,为获取雅康高速兴康特大桥实桥隧道锚蠕变变形规律,丰富特大悬索桥隧道锚蠕变试验资料,依托兴康特大桥雅安侧岸坡隧道锚工程区特定地质条件,依据弹性力学的相似理论,开展兴康特大桥雅安侧岸坡隧道锚1∶10原位缩尺模型蠕变试验,根据模型锚和围岩体在1.0P、3.5P、7.0P荷载下的蠕变特性,分析模型锚、围岩和界面错动的蠕变全过程规律。结果表明：在1.0P、3.5P、7.0P荷载作用下,锚体最大蠕变量分别为0.62、0.97、1.58 mm,围岩最大蠕变量分别为0.49、0.85、1.38 mm,锚体与围岩错动最大蠕变量分别为0.15、0.64、1.43 mm。在现场原位缩尺试验的基础上,利用FLAC^3D有限元软件进行锚碇与围岩体相互作用的3维黏弹塑性数值分析,从现场实测值与数值分析结果的对比可知,兴康特大桥雅安侧岸坡隧道锚锚碇与围岩现场实测蠕变变形量和计算结果变形发展趋势基本一致,量值相当。雅康高速兴康特大桥在隧道锚和围岩在各级荷载作用下属于稳定型蠕变,锚碇和围压的蠕变不会影响悬索桥的长期稳定性。试验成果在为兴康特大桥隧道锚系统可靠性评价提供有力依据的同时,也为类似工程设计提供了参考。     

强风化千枚岩填料的蠕变特性研究

为了研究千枚岩填筑路基在长期应力作用下产生的蠕变变形特性,使用杠杆仪进行千枚岩试件的室内单轴压缩试验,得到不同含水率、不同应力条件下应变随时间的变化曲线。对不同含水率下的应变曲线进行分析,可知轴向应变随试件含水率增加而增加,当含水率超过最佳含水率时,应变增加幅度变大;对不同应力条件下的应变曲线分析,随着应力增加,试件蠕变量和蠕变速率显著增大。结果表明:千枚岩填料的蠕变变形是水力耦合作用的结果,在高应力水平和高含水率条件下,千枚岩填料会产生较大的蠕变变形。根据变形曲线建立蠕变的指数衰减模型,发现该模型能较好预测千枚岩填料的蠕变变形。     

锯齿状结构面剪切蠕变、松弛及长期强度研究

为对结构面的蠕变、松弛和长期强度进行综合分析,用水泥砂浆浇筑成不同角度的结构面试样,采用相同的分级加载方法,在岩石双轴流变试验机上对规则齿形结构面进行剪切蠕变试验和松弛试验.首先分析了蠕变特性与松弛特性的异同及蠕变和松弛过程中剪应力-位移曲线的差异,其次基于蠕变速率及蠕变与松弛关系,推导能够描述应力松弛的经验方程,最后分别基于蠕变试验和松弛试验确定结构面的长期强度,并对长期强度进行对比分析.研究结果表明:蠕变曲线与松弛曲线形态相似,变化趋势相反;蠕变变形量和应力松弛量都随结构面爬坡角的增大而增大;蠕变过程和松弛过程的剪应力-位移曲线显示两者的应力-应变路径不同,表明蠕变和松弛过程中能量变化不同,且由于不可逆功的存在,不能简单认为蠕变和松弛是等价的;本文提出的应力松弛方程,能够较好地描述松弛过程,但蠕变方程和松弛方程的拟合参数值相差约1个数量级;基于相同的机理,根据蠕变试验和松弛试验确定的结构面长期强度不同,相差约为9%,而且长期强度值与蠕变过程和松弛过程中剪应力-位移曲线的屈服强度比较接近.     

改进的西原模型及其稳定性分析

根据岩石加速蠕变阶段的力学特性,提出用非线性牛顿体替代线性牛顿体,建立改进的西原模型,并导出改进后模型的本构方程.将非线性问题通过局部线性化,得到改进的西原模型的稳定性条件.通过对蠕变、蠕变速度、蠕变加速度的控制变量渐变分析表明,改进的西原模型能够较好地描述岩石三阶段蠕变变形,尤其是非线性加速阶段蠕变变形.     

类岩石蠕变性能试验及长期强度确定方法研究

改善岩石蠕变性能是提升地下工程稳定性与安全性的有效措施。文章采用TAW-1000D岩石蠕变扰动试验仪,对类岩石试件开展了单轴蠕变试验,分析了其蠕变力学性能,并结合三参数模型,建立了蠕变稳定变形阈值与瞬时损伤变形阈值的关系式,推导出可以预估长期强度的关系式。结果表明:类岩石受力在长期强度值以下时,其蠕变变形对应力不敏感,同时瞬时弹性模量发生硬化,瞬时变形值逐渐减小;受力在长期强度以上时,类岩石的瞬时变形量逐渐随应力而增大,且蠕变性质十分突出,蠕变变形不稳定;径向变形对应力水平的敏感程度明显高于轴向变形。     

改进的西原模型及其稳定性分析

根据岩石加速蠕变阶段的力学特性，提出用非线性牛顿体替代线性牛顿体，建立改进的西原模型，并导出改进后模型的本构方程．将非线性问题通过局部线性化，得到改进的西原模型的稳定性条件．通过对蠕变、蠕变速度、蠕变加速度的控制变量渐变分析表明，改进的西原模型能够较好地描述岩石三阶段蠕变变形，尤其是非线性加速阶段蠕变变形．     

泥岩黏弹性剪切蠕变模型及参数辨识

基于泥岩黏弹性剪切蠕变试验结果,采用Burgers模型辨识获得了不同时间尺度下的泥岩黏弹性剪切蠕变参数,分析了时间尺度对泥岩黏弹性剪切蠕变模型参数的影响.结果表明,Burgers黏弹性剪切蠕变模型参数具有显著的时间尺度效应,以短期内的蠕变试验数据辨识获得的蠕变模型在预测岩石长期的黏弹性蠕变特征时显著高于试验结果.基于稳态蠕变阶段的试验数据拟合获得黏滞系数η2后再确定的蠕变模型能较好地预测长期的黏弹性蠕变特征,但在时间尺度较低时与试验结果吻合得不理想,然而建立的非线性黏弹性剪切蠕变经验模型,拟合得到的误差平方和Q(0.56×10-8～1.49×10-8)显著低于Burgers黏弹性剪切蠕变模型拟合得到的Q(0.16×10-8～8.15×10-8),能够更加准确地描述岩石的黏弹性蠕变特征.     

合肥非饱和膨胀土单轴压缩蠕变试验研究

针对合肥地区非饱和膨胀土进行单轴压缩蠕变试验,根据应变-时间关系曲线,探讨该区非饱和膨胀土的蠕变特性。试验结果显示：非饱和膨胀土蠕变经历两个阶段,即瞬时弹性蠕变阶段和稳定蠕变阶段。瞬时弹性阶段时间比较短,蠕变快,很快进入蠕变稳定阶段,蠕变稳定阶段持续时间很长。在相同含水率情况下,应力作用值越大,瞬时弹性蠕变量越大,稳定蠕变阶段时间越久;在相同应力作用下,含水率越大,瞬时弹性蠕变量越大。在40 kPa的小应力作用下,应变-时间呈线性关系;在100 kPa、200 kPa的较大应力作用下,应变-时间呈非线性关系,拟合函数为对数函数。     

高应力软岩巷道耦合支护研究

为了研究确定高应力软岩巷道二次支护时间和支护强度，以焦煤集团古汉山矿西大巷为研究对象，采用FLAC加中的指数蠕变模型，研究分析围岩应力和围岩变形速度随时间的变化规律、二次支护时间及支护强度对围岩变形的影响规律．结果表明：采用指数蠕变模型得到的围岩变形随时间的变化规律与现场观测基本吻合，一次支护后围岩应力、围岩变形速度趋于稳定的时间段基本一致，在此时间段内进行二次支护后围岩蠕变速度最小，而且二次支护强度在0．25～0．30MPa范围内可以有效地控制围岩蠕变速度，二次支护强度大于该范围，围岩的蠕变速度也不会再有明显的降低，保持了巷道稳定．     

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。