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。     

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k_0固结条件的淤泥土排水蠕变特性试验研究

通过k_0固结蠕变试验探讨饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的蠕变特性。由试验数据知:排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。Merchant和Burgers蠕变模型对淤泥土都有较好拟合精度。二者的蠕变参数E_K、η_K、η_M均呈现随应力水平的增大而减小的变化规律,E_M随应力水平的变化则较为平稳,无明显增大或减小趋势,说明淤泥土的蠕变变形受黏弹模量影响较小,受土体黏滞系数及弹性模量影响较大。     

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。     

滨海软土黏滞系数非线性特性及其表达

通过对滨海软土三轴蠕变相关试验数据进行分析,发现黏滞系数不仅与时间有关,还与土所受到的偏压和围压有关。应变率与时间的关系呈现了非常明显的双对数线性关系,因此,黏滞系数是关于时间的幂函数;黏滞系数线性地依赖于偏压的变化,而与围压呈指数关系。最后建立了黏滞系数与时间、偏应力、围压之间的非线性关系表达式,并探讨了其相关参数的意义及取值范围。建立的黏滞系数表达式适用于描述非线性特征明显、应力水平较高的软土黏滞系数随时间、应力的变化规律,可推广到滨海软土直剪蠕变试验中。研究成果可为建立变黏滞系数的滨海软土及其他地区软土的非线性流变模型奠定基础。     

层状岩体在三轴加载下的扩容及塑性应变特性

为研究层状岩体在三轴加载下的扩容及塑性应变特性,选取具有典型层理构造的千枚岩为研究对象,制作倾角为0°、30°、45°、90°标准岩样,采用MTS815试验系统进行三轴加载试验,定义了塑性应变比以研究轴向与环向裂隙的发展速度.结果表明:千枚岩应力-应变曲线5个典型区段及特征应力与围压和层理倾角存在明显的相关性;千枚岩扩...     

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。     

分级加载下炭质板岩蠕变特性的试验研究

蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,与岩石工程的长期稳定和安全密切相关。为了解炭质板岩的蠕变特性,采用RLW-1000岩石流变试验机进行了单轴压缩蠕变试验。选用广义Kelvin模型、Burgers模型及FC元件组合模型进行了参数拟合分析。分析表明:板岩在低应力水平下,FC元件组合模型拟合效果较好,而在高应力水平下Burgers模型拟合结果优于其余2种模型。总体来讲,不论应力水平的高低,Burgers模型能够较好地反映炭质板岩的蠕变特性。同时,对不同应力水平下的蠕变曲线进行参数拟合,发现黏滞系数在较低应力水平下随时间而增大,而在较高加载应力下随时间显著减小,表现为应力水平和时间的函数,研究成果可为进一步了解该岩石的蠕变特性提供模型参数和设计依据。     

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。     

考虑加速蠕变的深井巷道粉砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型研究

围岩流变特性是影响巷道工程安全性和稳定性的关键因素之一,本构模型的研究是岩石流变力学理论研究中最基本最重要的组成部分,同时也是将试验研究成果应用于实际工程的必要环节。综合采用试验研究、理论分析和数值试验模拟分析等研究方法,对淮南矿业集团朱集煤矿千米深井巷道粉砂岩的流变力学特性和本构方程的构建进行了分析研究。在参考大量相关理论和试验资料的基础上,提出改进的与应力以及时间有关的指数函数形式的非线性黏塑性元件,将之与Burgers蠕变模型串联形成能够模拟岩石三阶段蠕变特性的六元件组合模型。对朱集煤矿深井巷道粉砂岩进行高围压状态下三轴蠕变试验,获得了不同应力水平下的蠕变曲线,依据测得的轴向蠕变曲线对所提出的六元件蠕变模型进行参数辨识,验证了模型的合理性。     

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。     

基于应变屈服临界的岩石黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究岩石的非线性加速蠕变特性, 依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征,划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态,并给出了相应状态的蠕变力学特性。假定岩石在三轴压缩试验条件下,发生延性剪切破坏,推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式。基于Perzyna黏塑理论,考虑后继屈服硬化作用,引入统计损伤因子,构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型;采用岩石全自动伺服三轴蠕变试验机对三峡库区典型砂岩试样开展了蠕变试验,得到了岩石试样在不同应力水平作用下的蠕变变形曲线。结果表明:蠕变试验中,岩样力学性质的时效特征显著,在最后一级应力水平作用下发生了非线性加速蠕变现象。基于提出的黏弹塑性蠕变模型对试验曲线进行拟合,拟合结果说明模型能够较好地反映砂岩蠕变3个阶段变形的规律特征,拟合效果较好。     

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。     

不同围压和层理下板岩三轴蠕变试验及损伤模型研究

为了研究围压和层理对板岩三轴蠕变特性的影响,制备了最大主应力方向与层理夹角为 0°和 90°的 2 组岩样( 0°为平行组; 90°为垂直组) ,分别进行 5 MPa、10 MPa、15 MPa 围压下的三轴蠕变试验。结果显示: 板岩在三轴应力条件下的蠕变具有瞬时弹性阶段、稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段这三个阶段特征; 在同一围压下,垂直组试样加载级数大于平行组岩样加载级数; 垂直组试样的瞬时弹性应变高于平行组试样; 垂直组试样的累计蠕变应变均低于平行组试样。计算长期强度与峰值强度的比值得到垂直组试样的强度损伤低于平行组试样; 围压越高,试样蠕变变形越小,峰值强度和长期强度越高。基于 Kachanov 蠕变损伤理论,考虑层理角度的损伤,引进一个弹塑性损伤元件,建立了描述不同层理角度板岩蠕变过程的改进西原模型,用该模型对试验数据进行拟合,结果表明: 模型能够较好地反映蠕变三阶段; 垂直组试样的弹性模量、黏滞系数比平行组试样相对较大,蠕变参数基本随着围压的增大而增大,体现了围压效应,这与试验结果相吻合。     

水岩作用下露天坑边坡岩石蠕变试验分析

为了探究水位升降对边坡长期稳定的影响,选取莱州仓上露天坑边坡岩石,对经历不同饱水-失水循环次数的岩样进行了三轴蠕变试验。通过分析SγJH蠕变应变-时间曲线及蠕变速率曲线,探究边坡岩石经历饱水-失水循环作用后的蠕变性质变化。进一步利用电镜对经历不同循环次数的SγJH岩样进行扫描,从细微观角度分析了水岩作用对矿坑边坡岩石损伤机理。结果表明:随饱水-失水循环次数增加,相邻循环次数下的SγJH轴向蠕变应变最多提高31%,侧向提高33%;SγJH-15后瞬时弹性应变较SγJH-0提高了54.3%,相邻荷载等级下蠕变应变提高24.3%,蠕变总应变可达到三轴压缩极限应变的80%以上。经历饱水-失水循环后,SγJH稳态蠕变速率不再为0,而是随饱水-失水循环次数增加不断提高,SγJH-15第5级荷载作用下稳态流变速率达到29.2×10^-6/h;在施加各级轴向荷载的瞬时,初期蠕变速率加速度亦有所提升。水岩作用下岩石力学性质变化机理研究方面,由于SγJH内部结构的非均质性,在饱水-失水循环作用下岩样发生微观弱化和破裂,使得原有的应力平衡被打破,从而造成岩石变形曲线产生了不规则波动和突变。     

向家坝水电站坝基破碎带岩体补强灌浆施工技术浅析

针对向家坝水电站坝基存在的挠曲核部破碎带碎屑结构岩体,水库蓄水前坝基防渗系统进行了常规水泥多排帷幕灌浆。为确保向家坝水电站蓄水发电运行后在长期高水头作用下坝基帷幕挠曲核部破碎带的渗流稳定,设计提出:应对该破碎带进行补强灌浆。针对补强灌浆,结合该破碎带岩体结构特性进行了"固孔止水灌浆"与"高压冲挤灌浆"组合工法研究与试验。现场试验与研究表明,向家坝水电站坝基挠曲核部破碎带采用该组合工法进行补强灌浆后,防渗体可以达到设计提出的抗渗指标,且有关专家表示,这种组合工法为一创新工法,技术含量高,可作为向家坝水电站坝基挠曲核部破碎带地质缺陷岩体补强灌浆处理工法。     

石英砂岩蠕变力学特性及长期强度研究

通过三轴压缩蠕变试验,分别以过渡蠕变法、等时应力-应变曲线法、稳态蠕变速率与应力关系法、残余应变法以及强度与破坏时间关系法研究石英砂岩的长期强度.结果表明,对于石英砂岩的长期强度,前4种方法得到的结果大体一致;过渡蠕变法、残余应变法只能根据应力梯度得到长期强度临界值,等时应力-应变曲线法取拐点的过程具有一定主观和随意性...     

非饱和重塑与结构性黄土平面应变试验三维离散元模拟

黄土的宏观力学行为受其微观结构影响显著,为探究非饱和重塑与结构性黄土在平面应变条件下的宏微观力学性质,采用考虑粒间吸引力与化学胶结的非饱和结构性黄土胶结接触模型,开展了非饱和重塑与结构性黄土常含水率条件下的平面应变三维离散元模拟。分析了平面应变条件下不同有效围压对黄土宏观力学行为的影响,并探究其微观机理。模拟结果表明:有效围压对非饱和重塑黄土与结构性黄土应力应变响应影响存在较大差异。非饱和重塑黄土在较小有效围压时呈应变硬化,随有效围压的增大逐步过渡为应变软化,而结构性黄土在不同有效围压下均表现为应变软化,且围压越小,应变软化越显著。在微观尺度上,胶结达到轴向应变2％时开始持续破坏,对于结构性土的峰值应力影响显著;胶结同时会阻碍结构性土各向异性发展。     

不同卸荷速率下岩石强度变形特性

岩体工程的开挖本质上是岩体的卸荷过程,不同的卸荷速率会显著影响岩体的强度变形特性,开展相关研究对于岩体工程的安全稳定分析具有重要意义。针对岩石开挖卸荷中各种可能的应力路径,开展了普通三轴压缩试验以及恒主应力差卸围压、恒轴压卸围压、升轴压卸围压的3种卸荷试验,重点分析了不同卸荷速率对开挖卸荷岩体力学特性的影响规律。研究得出主要结论如下:（1）不同卸荷方案、不同卸荷速率的岩样,都具有典型的脆性破坏特征,当围压降低到一定程度时,岩样突然破坏,轴压陡降,环向应变显著增大。（2）当围压卸荷速率较高,岩样临近破坏时,变形模量随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线下降,泊松比随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线上升;而卸荷速率较低时,变形模量和泊松比下降/增长的趋势相对较缓。这说明围压卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越显著。（3）3种卸荷方案岩样在不同的卸荷速率下,破坏时的应力状态基本都位于普通三轴压缩Mogi-Coulomb强度包络线的下方,即围压卸荷时的岩样比普通三轴压缩状态的岩样更容易破坏。     

锦屏二级水电站深埋完整大理岩破坏机制的断裂力学分析

针对锦屏二级水电站深埋完整大理岩拉张型板裂化破坏和剪切型破坏,从断裂力学的角度对其发生机制予以解释。断裂力学理论表明,岩石在足够大轴向力作用下,其内部微裂纹在发生摩擦滑动或剪切滑移和自相似扩展后进一步弯折扩展。隧洞开挖后洞壁围岩径向应力降低,切向应力增大。当径向应力为零时,弯折裂纹继续发展,围岩产生平行于洞壁的破裂面,即产生拉张型板裂化破坏;当洞壁围岩存在一定径向应力时,弯折裂纹停止扩展转化为剪切裂纹扩展,即围岩产生剪切型破坏。对锦屏二级水电站深埋完整大理岩破坏机制的分析,为类似深埋隧道工程围岩失稳破坏机理的解释具有一定借鉴作用。