具有流变特性的盐岩相似材料的研制及应用

为有效反映盐岩油气储库介质的蠕变变形特征与变化规律,以金坛盐岩储气库为背景工程,根据地质力学模型试验相似原理和原岩物理力学参数,通过大量的材料配比和相应材料试件的力学参数试验,研制出了基本满足相似条件且具有显著流变特性的盐岩相似材料。该相似材料采用精铁粉、石英砂和重晶石粉为骨料,以松香酒精溶液为胶结剂按照规定的配比拌合压实而成。材料力学试验表明：研制的盐岩相似材料具有明显的弹性变形、延塑性变形、应变硬化、应变软化和剪涨破坏特征。材料在低应力时以减速蠕变和等速蠕变为主,高应力时以减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变为主,盐岩相似材料与盐岩原岩的蠕变特性基本一致。将该材料应用到金坛盐岩地下储气库注采气三维地质力学模型试验中,有效获得注采交变气压变化过程中洞周径向位移和径向应变的变化规律,较好反映了盐岩储库介质的流变力学特性。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 引进岩石时效强度理论及Kachanov损伤理论,建立以时间变量表示的岩石损伤表达式,并将其与岩石黏塑性流变参数相联系,建立包含加载时间、加载应力等变量在内的岩石黏塑性流变参数非线性表达式,代入西原模型后即建立非线性黏弹塑性蠕变模型。当岩石受到的应力大于岩石长期强度时,岩石即出现损伤,岩石内部的微结构发生变化,岩石的黏塑性流变参数将随时间非线性变化。将建立的模型编入有限元计算程序,并进行数值试验,结果表明所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,可以统一描述软岩和硬岩的蠕变破坏过程,既可以描述软岩在加速蠕变阶段的渐变破坏过程,又可以描述硬岩在加速蠕变阶段的陡然破坏过程,具有广泛的适应能力。将大理岩、盐岩的蠕变破坏试验结果与计算模拟结果进行对比,两者基本吻合,从而验证了模型的正确性。这些成果表明所建模型将具有良好的应用前景。     

考虑初始孔压非均布及起始坡降的黏土流变固结解

外荷载引起的土中初始超静孔压往往沿深度非均匀分布。软黏土的流变特性以及黏性土中渗流存在起始坡降的现象也已被认识。但能同时考虑起始坡降及初始孔压非均布的软黏土流变固结解还鲜见报道。采用Merchant三元件模型描述黏土的流变特性,在初始孔压沿深度非均布条件下建立考虑起始坡降的软黏土一维流变固结控制方程及求解条件,采用拉普拉斯变换方法获得其解析解答。在验证解可靠性的基础上,开展大量的分析计算。结果表明:起始坡降(i_0)越大,渗流移动边界移动速度越慢,土层平均固结度和最终沉降量越小。土层顶面处初始超静孔压(q_T)和底面处初始超静孔压(q_B)的比值(λ)越大,移动边界下移速度越慢,土层固结速率越快,平均固结度最终稳定值越小,土层最终沉降量越大。流变模型中Kelvin体弹簧的弹性模量(E_1)和独立弹簧弹性模量(E_0)的比值(a)在固结前期对固结性状影响很小;固结后期,a值越大,土层固结速率越快,最终沉降量也越大。固结前期,黏滞系数(η_1)的变化对固结性状影响不大;固结后期,η_1值越大,土层固结速率和沉降速率越快,但η_1值的变化并不影响土层的最终沉降量。     

松香基相似材料抗剪强度指标试验研究

采用松香作为胶结剂的相似材料是地质力学模型试验中常用的一种相似材料。为研究松香基相似材料骨料组成、松香用量、石蜡用量等影响因素对其抗剪强度指标的影响,设计了三因素四水平的正交试验。制作了16组不同配比的试样,通过直剪试验测得其黏聚力和内摩擦角,并对试验结果进行了极差分析。结果表明,松香基相似材料的黏聚力受松香用量的影响最大,随着松香用量的增加,黏聚力有大幅增长;内摩擦角受骨料组成影响最大,粗骨料比例越高,内摩擦角越大。通过调节配比,可使黏聚力在68 kPa~270 kPa之间波动,内摩擦角在29°~58°之间波动。该研究成果可为地质力学模型试验中相似材料的制备提供参考。     

节理岩体黏弹塑性流变破坏模型研究

 针对岩块与节理面的黏弹塑性流变破坏模型问题开展研究。首先提出流变瞬时强度概念,以此为基础建立岩石和节理面的非线性黏塑性流变破坏模型的一般形式,并以岩石单轴压缩蠕变破坏试验为例,分析模型描述黏塑性变形破坏的特点。然后,建立岩石完整的黏弹塑性流变破坏模型,分析其描述蠕变和松弛的特性;研究参数 对于调节岩石流变破坏过程的作用,显示模型模拟脆性–延性流变破坏的特点。与大理岩单轴压缩蠕变破坏试验进行对比,结果表明提出的模型与试验结果吻合很好,可以很好地反映岩石蠕变破坏过程。进一步对节理面的黏弹塑性流变破坏模型进行讨论,并与灌水泥浆大理岩节理的剪切蠕变试验对比,结果表明模型也能很好地反映节理面蠕变破坏特点。最后,将建立的流变破坏模型应用于大岗山引水隧洞的流变破坏分析,确定其流变破坏过程和流变破坏时间,可为进一步喷锚支护设计提供依据。针对岩石和节理面所建立的黏弹塑性流变破坏模型概念明确,能正确模拟岩石和节理面的流变破坏过程和判断破坏时间,且参数为常规试验所得,将具有良好的应用前景。     

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识.以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究.先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法.然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分.并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法.最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例.     

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。     

粘土岩力学性能的结构效应

本文所研究的粘土岩强度低、变形大,属于软岩。实验结果表明,其强度和变形模量与试块内含的结构体数密切有关。如起始流变应力σ_i=1.5+3.7/N~(0.37),极限破坏应力σ_c=5.1+14.5/N~(0.35)而对变形参数来说,亦具有类似的关系。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

残余强度阶段大理岩流变特性试验研究

锦屏二级水电站引水隧洞埋深大、地应力水平高,高应力状态下的大理岩具有明显的时效特性,工程部分岩体处于残余强度阶段,其流变特性对围岩长期稳定性具有显著影响。利用三轴压缩全过程试验获得进入残余强度阶段的大理岩试件,以此来模拟工程塑性区岩体,并对残余强度阶段的岩石试件进行不同围压下的三轴蠕变试验,系统研究残余强度阶段大理岩的蠕变特性及其长期强度。试验表明:残余强度阶段的大理岩具有明显的瞬时变形、减速蠕变和稳定蠕变特性;受内部大量破裂网格的影响,残余强度阶段岩体的瞬时应变和蠕变量较完整岩块有很大程度的提高;残余强度阶段大理岩的总蠕变量及蠕变速率均随偏应力的增大而增大;长期强度小于其残余强度且随围压的增大而增大;试件长期抗剪强度不具有黏聚力,内摩擦角较残余内摩擦角有所提高。基于残余强度阶段大理岩的蠕变特性,采用Burgers模型模拟其蠕变过程,并对蠕变参数进行辨识,研究表明:Burgers模型模拟结果与蠕变试验具有很高的吻合度,能很好地反映残余强度阶段大理岩的流变特性;其流变参数中弹性模量EM和黏性系数ηM均随着偏应力的增大而减小,黏弹性剪切模量GK与黏弹性系数ηK随偏应力的增大先增大后减小。     

辉绿岩非线性流变模型及蠕变加载历史的处理方法研究

 分级加载的流变试验方法采用单个岩样进行试验,可避免岩样离散性对流变变形的影响,但后级载荷的变形量包含前面各级载荷产生的蠕变变形,很容易引起混淆。详细分析流变介质对加载历史的记忆效应,并给出考虑加载历史的蠕变数据处理的具体步骤和数学依据。同时,对大岗山水电站坝基辉绿岩三轴流变试验曲线进行整理,分析其典型的流变特性。根据不同应力水平下的蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、非线性黏塑性体串联而成的岩石非线性黏弹塑性流变模型。该流变模型通过引入非线性黏塑性体可以描述岩石流变的减速、等速特别是加速蠕变阶段。推导非线性黏弹塑性模型的三维蠕变方程,利用不同应力水平下岩石蠕变试验曲线,对流变参数进行反演。结果表明,非线性流变模型计算曲线与试验曲线较吻合,证实所建模型的正确性与合理性。     

非定常西原黏弹塑性流变模型的应用研究

 在西原模型的基础上,引入非线性Bingham黏塑性元件与Kelvin元件,建立能完整反映蠕变全过程的非定常西原黏弹塑性流变模型。当岩石处于高应力状态时,其黏塑性流变参数随时间呈非线性变化。根据ABAQUS的UMAT格式要求以及非定常西原黏弹塑性流变模型的平面应变(应力)有限元理论,编制相应的黏弹塑性流变模型程序。数值试验结果表明,所建立的非线性黏弹塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下岩石的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石边坡进行流变数值分析,在较大堆载下,边坡顶点进入加速蠕变阶段,达到破坏状态;中点和底点处于低应力状态,为黏弹性阶段,位移趋于稳定。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。     

双轴压缩条件下绿片岩的卸载蠕变特性试验

对绿片岩进行双轴压缩状态下的加卸载蠕变特性试验,并基于Mohr-Coulomb屈服准则得到塑性元件,将该塑性元件与六元件黏弹性流变模型组合得到复合黏弹塑性流变模型。研究结果表明,当以定侧压比同时施加轴向和侧向荷载时,轴向和侧向应变基本随着荷载等级的增加而增加;当将轴向荷载和侧向荷载同时卸载时,轴向和侧向应变均随荷载等级的不断减小而减小;卸载前后的应力水平差越大,不可恢复的瞬时应变也越大;蠕变试验曲线和理论模型曲线较吻合,说明复合黏弹塑性流变模型能较好地描述绿片岩的蠕变特性。     

富水泥质板岩隧道围岩蠕变力学特性研究

目前,对于考虑含水劣化的软岩蠕变力学特性研究存在一定的局限性。针对此问题,以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道施工期泥质板岩的蠕变问题为出发点,通过三轴压缩蠕变试验分析应力状态及吸水率对泥质板岩蠕变特性的影响规律,在已有Burgers蠕变本构模型的基础上,引入水劣化因子,建立泥质板岩考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构方程,将蠕变参数转化为prony级数,在ANSYS软件中验证蠕变本构方程的合理性。研究结果表明:随着吸水率的增大,泥质板岩的蠕变变形和蠕变率增大,进入等速及加速蠕变阶段的进程加快;应力差的增大预示着泥质板岩进入等速及加速蠕变阶段的进程加快,时间缩短;随着吸水率的增大,泥质板岩蠕变参数(变形模量、黏滞系数、体积模量)呈指数函数减小。将顾及了水劣化因子的蠕变本构模型输入至ANSYS软件中,计算结果与三轴压缩蠕变试验结果吻合度较高,表明考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构模型具有较强的实效性,可以用于描述富水泥质板岩隧道围岩的蠕变规律。     

富水泥质板岩隧道围岩蠕变力学特性研究EI北大核心CSCD

目前,对于考虑含水劣化的软岩蠕变力学特性研究存在一定的局限性。针对此问题,以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道施工期泥质板岩的蠕变问题为出发点,通过三轴压缩蠕变试验分析应力状态及吸水率对泥质板岩蠕变特性的影响规律,在已有Burgers蠕变本构模型的基础上,引入水劣化因子,建立泥质板岩考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构方程,将蠕变参数转化为prony级数,在ANSYS软件中验证蠕变本构方程的合理性。研究结果表明:随着吸水率的增大,泥质板岩的蠕变变形和蠕变率增大,进入等速及加速蠕变阶段的进程加快;应力差的增大预示着泥质板岩进入等速及加速蠕变阶段的进程加快,时间缩短;随着吸水率的增大,泥质板岩蠕变参数(变形模量、黏滞系数、体积模量)呈指数函数减小。将顾及了水劣化因子的蠕变本构模型输入至ANSYS软件中,计算结果与三轴压缩蠕变试验结果吻合度较高,表明考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构模型具有较强的实效性,可以用于描述富水泥质板岩隧道围岩的蠕变规律。     

工程岩体Ⅲ级围岩相似材料配比试验研究

目前超大跨扁平地下洞室模型试验的围岩相似材料缺少合适的配制方法,以工程岩体中Ⅲ级围岩的物理力学参数作为相似材料配比目标,采用重晶石粉和石英砂作为骨料,高强石膏粉和水作为胶结剂,洗衣液作为调节剂,基于正交理论设计了3因素5水平的正交试验方案,制作了25组不同的配比,通过大量的直剪试验和单轴压缩试验分别测得试样的黏聚力c和内摩擦角φ以及试样的抗压强度σ_c和弹性模量E,并采用极差分析法进行了敏感因素分析。试验结果表明:所配制的相似材料物理力学参数变化范围广,能满足大部分岩质岩体模型试验的强度要求;材料含量的变化对物理力学参数的影响规律明显,可为配比不同模型试验的相似材料提供指导。     

分级加卸载条件下Q3黄土三轴蠕变特性研究

采用分级增量循环加卸载方式,利用SR-6型三联式三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡原状黄土进行了三组室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了黄土黏弹塑性的基本规律,以此建立了黏弹塑性九元件蠕变模型。结果表明:该地区原状黄土具有明显的流变特性,总体呈线性衰减蠕变;卸载后,土样产生衰减黏弹性回弹变形,回弹量随着卸荷量的减小,围压的增大,含水率的增大而减小;加卸载应力历史对黄土蠕变变形具有累积效应;该地区原状黄土的回弹变形不明显,黏弹性变形在蠕应变中所占比重较小;所建立的元件蠕变模型可以较好地描述该地区黄土的三轴线性蠕变特性,物理意义明确,且模型参数易得。     

砂质泥岩三轴卸荷蠕变试验研究

为了揭示深部软弱地层开挖卸荷后围岩流变力学特性,开展砂质泥岩恒轴压逐级卸围压三轴卸荷蠕变试验,研究软岩轴向、侧向和体积蠕变规律和卸荷流变过程中偏应力–应变关系特性。主要结论有:(1)每卸除一级应力(10 MPa)产生的瞬时变形、蠕变变形、蠕变变形相对该级荷载下的瞬时变形的比值、蠕变变形占总变形量百分比均随偏应力的增加而增大,围压越低蠕变变形增加的幅度越大;(2)随着围压逐级卸荷,岩石内部产生竖向张性微裂纹,微裂纹的萌生和扩展使得卸围压瞬时产生较明显的侧向变形,且蠕变过程中微裂纹将发生与应力水平相应的时效扩展,产生黏塑性变形;(3)岩石在时效条件下的渐进破坏的本质是损伤随时间的逐渐累积,并伴随着裂纹的时效扩展,统称为时效损伤破裂;(4)随着围压逐级卸荷,偏应力增大,历史上经历的卸荷级数多、蠕变时间长,试样内部积累的不可恢复应变和损伤越多,时效损伤破裂越剧烈,在该级荷载条件下轴压低的试样其流变速率越大,蠕变变形量越大,卸荷效应和流变特征更加明显,同时伴随显著的侧向扩容,导致蠕变扩容;(5)卸荷和蠕变所产生的损伤和塑性变形对后续力学行为影响非常显著。     

新型地质力学模型试验相似材料的研制

正确选择相似材料是能否正确模拟工程原型的关键。在调研相似材料研究现状的基础上，分析相似材料选择与组合的原则。借鉴前人的经验，通过大量的配比试验，研制出一种新型的相似材料铁晶砂胶结料（IBSCM），这种材料用铁精粉、重晶石粉、石英砂作为骨料，松香、酒精溶液作为胶结剂，石膏作为调节剂混合而成。材料力学试验表明，新材料具有容重高、抗压强度与弹性模量低、性能稳定、易于购买，价格便宜、易干燥、易于加工堆砌以及可重复使用的特点，可模拟范围较广的岩体材料，是一种比较理想的地质力学模型相似材料。     

千枚岩相似材料研制及模型试验初步应用

千枚岩是一种物理特性较差的软岩,对隧道工程影响较大,而目前关于千枚岩流-固耦合相似材料的研究较少.以砂、铁粉为骨料,水泥、石膏为胶结剂,橡胶粉为外加剂研制千枚岩流-固耦合相似材料,通过对相似材料的密度ρ、弹性模量E、粘聚力c、内摩擦角 ψ、渗透系数K、孔隙率ω和软化系数KP进行测定,分析各因素对材料参数的敏感度与显著度...