不同温度-应力场下泥岩蠕变特性及本构模型

为探讨不同温度-应力场下泥岩的蠕变力学行为特征,对泥岩开展了常温(25 ℃)、60 ℃和120 ℃下的三轴分级加载蠕变试验,得到了各温度-应力场下对应的蠕变历时曲线和蠕变参数,给出了考虑温度和损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明:高温促进了泥岩内部分子运动,减弱了颗粒之间的相互胶结力,使其蠕变特征明显,而围压则能在一定程度上抑制泥岩内部损伤的发展;稳态蠕变速率随偏应力和温度的升高呈指数型函数增加,随围压升高则呈线性减小;各温度场下,泥岩的长期强度和长期抗剪强度特征参数随围压的升高呈良好的线性关系,相同围压下,温度越高,长期强度越小;在经典西原模型基础上,结合温度-应力场下泥岩的温度效应和损伤效应,建立了热-力耦合作用下的蠕变损伤本构模型,能很好地模拟各温度-应力场下泥岩的蠕变特征,拟合结果表明,弹性模量和黏性系数随温度的升高呈线性减小,而α则随温度的升高呈对数型函数增加。     

高围压下堆石体流变本构研究及数值模拟

进行了多组历时长达70天的堆石体三轴流变试验，所有试验数据均表现出良好的规律性。在试验基础上提出了一种新的高围压下堆石体流变本构关系，轴向流变和体积流变均可用幂函数表达，最终流变量考虑了应力水平和围压的影响。详细推导了新的本构模型在三维有限元分析中的具体算法和实现步骤。数值计算结果与试验结果对比表明，该本构模型基本反映了高围压下堆石体的流变特性，并且可以直接应用到高面板堆石坝的应力变形分析中。     

硬脆性岩石卸荷流变特性及本构模型研究

依托某在建大型水电站,采用保持轴向应力不变、分级卸围压方式,对硬脆性花岗岩进行蠕变试验,分析了硬脆性岩石的卸荷蠕变变形特性及宏观和微细观破裂形式。结果表明,硬脆性岩石的卸荷流变过程可分为减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个阶段,并且存在卸荷流变门槛值。岩样屈服前后,轴向应变和侧向应变关系分别符合线性函数关系和对数函数关系。低围压下岩石主要发生沿轴向的张拉性劈裂破坏,高围压下则发生沿斜截面的剪切破坏。基于对蠕变损伤演化的分析,建立了硬脆性岩石非线性粘弹塑性损伤流变模型,以便描述硬脆性岩石不同阶段的蠕变特性。     

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。     

构皮滩水电站工程软岩原位流变试验研究

对构皮滩水电站第二级升船机基础的薄层状页岩进行了现场原位流变试验研究。结果表明,薄层状页岩在外荷载的长期作用下蠕变变形较大,表现出显著的黏弹性特征;同时根据半无限空间弹性理论,推导了基于刚性承压板原位流变试验的流变本构关系——Burgers模型解析表达式,并建立了岩体流变本构模型参数的辨识方法。研究结论有效解决了基于原位流变试验的岩体流变力学参数取值问题。     

冻结褐色泥岩非线性加速蠕变西原模型优化

为研究冻结褐色泥岩加速蠕变特性,以陕西某煤矿主井井筒褐色泥岩为研究对象,基于不同的轴压水平,采用WDT-100冻土试验机分别在-5,-10,-15 ℃的负温条件下进行了单轴等载荷蠕变试验。试验结果表明:低轴压水平下的冻结褐色泥岩蠕变呈现出瞬时弹性、减速、稳定3阶段特性,高轴压水平呈现出瞬时弹性、减速、等速、加速4阶段特性,轴压水平因素对冻结褐色泥岩轴向应变增加的影响程度远大于温度因素。基于经典西原模型,串联一个带应变启动的非线性黏滞阻尼器,得到7元件优化西原模型,通过最小二乘法对模型参数进行非线性回归分析,分析结果表明,7元件优化西原模型拟合曲线与试验结果吻合良好,更适合于描述冻结褐色泥岩非线性加速蠕变特性的变化规律,对深井煤矿冻结褐色泥岩的蠕变破坏预报具有参考价值。     

模型沙容重和流变及沉降特性的试验研究

目前河工泥沙模型试验中常采用的模型沙主要有电木粉、塑料沙、煤粉、煤灰等，通过对这几种模型沙的容重、流变及沉降特性进行试验研究和总结，其主要结论是：模型沙的重率是比较稳定的，但其干容重随时间的延长而逐渐增大，并趋于一稳定值；模型沙浑水一般皆属于牛顿体或宾汉体单颗粒模型沙沉速服从斯托克斯定律和武汉水利电力学院公式，而群体沉速仍用一般规律进行描述。     

堆石体流变本构模型参数的智能反演

提出基于演化神经网络和序列二次规划算法的智能反演方法,通过实测变形资料对堆石坝流变本构模型参数进行反演分析,算例计算表明,该方法高效且具有全局收敛性。采用该方法对某堆石坝9参数流变模型参数进行反演分析,计算结果表明,利用反演的模型流变参数所计算的坝体流变变形与实测资料在发展规律及数值上均比较吻合。最后采用反演后的参数对该堆石坝后期变形进行了考虑流变效应的流变计算,预测出该堆石坝的后期变形量,预测结果合理可信。     

砂砾料流变特性试验研究

针对某工程砂砾料开展了大型三轴流变试验研究,获得了砂砾料流变变形的基本规律,探讨了流变变形速率发展特征及其与围压、应力水平的关系。在双对数坐标中,初期流变速率随时间非线性减小;随着时间的发展流变速率与时间的关系逐步稳定为线性关系。在同一围压下,体积流变速率随时间发展规律基本一致,受应力水平的影响较小;应力水平越大,剪切流变速率初值越大,双对数坐标中不同应力水平下的剪切流变速率—时间曲线斜率基本一致。同一应力水平下,不同围压体积流变速率随时间发展趋势基本一致,但围压越高体积流变速率数值越大;剪切流变速率随时间发展趋势也基本一致,围压越高剪切流变速率数值越大。借鉴Mitchell一维流变速率模型,对体积流变速率与剪切流变速率随时间发展的规律建立了数学模型,提出了基于流变速率的三维流变模型。     

泥岩三轴试验应力—应变特性论述

通过对松花江方通公路大桥地基泥岩三轴试验工作,分析了大桥地基的第四纪松散层的分布、厚度及埋深,并着重了解有无软弱夹层及分布规律,确定泥岩土体的主要物理力学性质。给出了泥岩的性质、产状及风化程度,对泥岩进行了应力——应变特性分析。     

水岩作用下红层泥岩蠕变特性

水岩作用下软岩蠕变特性的研究对真实水环境下岩土工程长期稳定性有重要影响。采用轴压水压联合作用岩石流变试验系统,研究了滇中地区红层泥岩不同应力及水压作用下的蠕变特性。研究结果表明:岩样在低应力水平下以瞬时变形为主,蠕变曲线主要呈现出衰减蠕变和稳态蠕变阶段特征,仅在最后一级应力条件下出现加速蠕变阶段;相同水压条件下,泥岩瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率均随加载应力的增大而增大,且水压越大,应力对泥岩蠕变的影响越敏感;相同应力条件下,泥岩蠕变应变、蠕变速率以及蠕变变形占总变形的比例均随水压的增大而增大,且应力水平越高,增大水压对泥岩蠕变特性的影响越显著。研究成果对于保证真实水环境下软岩工程安全具有重要的工程意义。     

桩-软岩复合地基流变机理缩尺模型试验研究

桩-软岩复合地基承受上部载荷时,时效变形预测依赖于对其流变机理的认识以及对流变模型的合理描述,为分析其流变机理,通过桩-软岩复合地基缩尺模型载荷试验,研究了桩身应力、桩底压力、承台下软岩压力以及软岩深部变形时效特征,对桩-软岩复合地基流变机理进行了系列试验研究。桩底压力以及桩间软岩变形时效特征明显,桩-软岩复合地基在工程荷载作用下的衰减蠕变可采用5参量广义开尔文模型进行描述,其流变参数为E_H=1.1 GPa,E₁=7.05 GPa,η₁=929 GPa·h,E₂=9.03 GPa,η₂=28 GPa·h,与软岩地基比较,桩-软岩复合地基流变参数明显提高。     

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。     

面板坝周边缝结构模型试验及本构关系研究

模拟周边缝的实际结构进行大比尺力学模型试验，获得了周边缝的爱拉压、剪切与沉陷的变形曲线。分析周边缝三向变位特征，阐述了周边缝的变形机理和破坏特征，拟合三向受力变位关系式。建议了有厚度的周边缝单元本构关系模型。     

含水合物泥质粉细砂三轴试验及本构模型

为了得到不同有效围压和水合物饱和度对含水合物沉积物强度和刚度的影响规律,并得出相应数学表达式,以南海北部沉积物土样级配作为参考,配制人工泥质粉细砂,利用自主研发的含水合物沉积物三轴试验机,制备不同饱和度的含CO₂水合物沉积物,在1, 2, 4 MPa有效围压下等向固结并进行三轴剪切试验。由于围压能自动根据气压的变化而变化,所以在水合物生成过程中有气体消耗但有效围压保持不变。试验结果表明:初始弹性模量随水合物饱和度的增加而增加,与有效围压无关;初始泊松比随着有效围压增加而减小,而随水合物饱和度的增加而增加;黏聚力随水合物饱和度的增加而增加,而内摩擦角与水合物饱和度无关。在邓肯-张模型的基础上,引入参数水合物饱和度,建立了含水合物沉积物的非线性弹性本构模型。最后,用试验数据对模型进行了验证,其结果符合较好。     

西部弱胶结泥岩的三轴压缩试验分析

为解决西部弱胶结软岩巷道支护难题,在内蒙古鲁新煤矿对典型弱胶结泥岩取样,并对其进行不同状态(天然状态、饱和状态和烘干状态)和不同围压水平的室内三轴压缩试验,分析其强度特征和基本力学指标与围压的变化关系。试验数据表明①自然状态下弱胶结泥岩峰值强度和残余强度非常低,随着围压的增加,泥岩的峰值强度和残余强度均有较大提高,且峰值强度与围压呈对数变化关系;②泥岩对水非常敏感,随着含水率的增加峰值强度和残余强度均降低,峰值强度降低幅度更明显;③通过引入三轴软化系数进行分析,结果表明泥岩的软化系数随围压增加而下降,泥岩3种状态下的弹性模量与围压增加呈线性增大变化。最后通过泥岩三轴压缩四阶段应力-应变曲线的拟合分析,建立了泥岩三轴压缩全应力-应变关系。     

泥岩变形特性与能量特征的试验研究

由于软岩组成的复杂性和工程的严重危害性,使其成为岩土工程领域最为复杂的前沿课题之一。通过对三元隧道中的泥岩进行了常规三轴压缩试验研究,分析了泥岩的强度、变形特性及其能量特性。低围压下泥岩的ε3~ε1关系曲线呈上凹型;高围压下,呈下凹型。并且泥岩试样的侧向变形对围压的敏感程度大于轴向变形。试样破坏应变能随着围压的增大而增加;实验机对试样所做的功大于试样破坏时实际吸收的能量,这主要因为试样侧向膨胀对液压油做功而持续释放能量,使得实验机对试样所做的功大部分用于对液压油做功。该研究对与泥岩相关岩土工程的设计和施工有一定的理论和借鉴作用。