三轴应力下水对粉砂质泥岩蠕变力学特性影响作用试验研究

采用岩石流变试验机,在三轴应力下分别对干燥与饱水两种含水状态的粉砂质泥岩开展室内蠕变力学试验。分析了水对粉砂质泥岩蠕变量、蠕变长期强度的影响作用。依据岩石的蠕变性质,选取Burgers蠕变模型对其进行描述,得出两种含水状态下岩石的蠕变模型参数。对比干燥与饱水含水状态下岩石的Burgers蠕变模型参数,分析得出了水影响Burgers蠕变模型参数的基本规律。结果表明:（1）相同应力水平下,水对粉砂质泥岩的瞬时应变特性影响较小,而对岩石的蠕应变特性影响相对较大;（2）饱水试样的蠕变长期强度是干燥试样的39.3%,由于水的作用,粉砂质泥岩的蠕变长期强度大幅降低,在工程中应考虑由于水的影响作用而导致的岩石长期强度降低问题;（3）水对Burgers蠕变模型各参数的影响作用从大到小依次为:η₁、G₁、G₂和η₂,即水对Burgers模型中串联的元件力学特性影响较大,而对并联的元件力学特性影响相对较小;（4）由于水的影响作用,粉砂质泥岩达到稳定蠕变阶段所需的时间显著增加,岩石的稳态蠕变速率显著增大;（5）由于水的影响作用,导致粉砂质泥岩的蠕变力学特性发生显著改变。因此,在重大岩石工程中应重视水对岩石时效变形的影响作用。     

含水状态下软岩蠕变试验及损伤模型研究

为考虑时效劣化和含水弱化对岩石蠕变参数的劣化效应,提出了蠕变损伤模型,即对西原模型进行参数修正与完善,开展了不同含水状态的软岩三轴蠕变试验。首先,对不同含水率的岩石蠕变规律进行了对比分析,初步揭示了含水状态对岩石蠕变过程影响规律的机理。其次,为了能够较好地描述岩石蠕变过程,引入时效劣化效应和含水弱化效应,并通过试验数据拟合了损伤变量和蠕变参数。最后,将模型的计算值与试验值进行对比分析。结果表明,岩石随着含水率的增大,初始蠕变值和稳态蠕变值有所增大。通过FLAC3D验证了该模型的数值计算值与试验值具有很好的吻合性,提出的岩石时效蠕变损伤模型将为岩石流变特性的研究提供一定的理论基础。     

含水条件下弱胶结软岩蠕变特性及分数阶蠕变模型研究

含水条件下弱胶结软岩表现出显著的蠕变特性,严重威胁矿山开采和边坡安全。利用GDS HPTAS三轴仪开展弱胶结软岩分级加载蠕变试验,研究不同含水条件下弱胶结软岩蠕变变形特征、蠕变速率特征及蠕变破坏模式。采用稳态蠕变率-应力曲线拐点法确定了弱胶结软岩长期强度并分析了长期强度随含水率的变化规律。引入分数阶微积分理论,用Abel黏壶替代Kelvin模型中的黏壶元件,塑性元件替代弹性元件,建立了可以描述加速蠕变的四元件分数阶弱胶结软岩蠕变模型。采用Trust-Region法对蠕变试验结果进行反演分析得到模型参数并分析了模型参数与含水率和加载应力的关系,探讨了含水率和加载应力条件对弱胶结软岩蠕变特征的影响规律。模型计算结果与试验值吻合度较高,说明四元件分数阶蠕变模型可以较为准确地反映含水条件下弱胶结软岩全过程蠕变曲线特征。     

水压力作用下三峡库区侏罗系软岩损伤演化特性研究

为研究不同库水深度处侏罗系软岩的损伤演化特性,对三峡库区侏罗系泥质粉砂岩进行了不同水压力状态下的MTS三轴压缩声发射试验,建立了基于声发射振铃计数考虑水致初始损伤的损伤演化方程,对水压力作用下侏罗系软岩的力学劣化特性、损伤演化阶段和损伤演化特征值进行了分析,结果表明:随着水压力增大(0 MPa到1MPa),软岩的起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力以及弹性模量整体均呈现出减小的趋势,减小幅度分别为74.2%、66.9%、62.4%、43.4%、51.9%;侏罗系软岩的损伤演化过程可分为损伤形成阶段、损伤稳定发展阶段、损伤破坏阶段和损伤破坏后阶段,各个损伤阶段与裂隙扩展阶段基本保持同步;损伤演化特征值能够定量地反映水压力对侏罗系软岩的影响劣化程度,各个损伤演化特征值与水压力均呈现出较好的数学相关性,初始损伤变量和起裂损伤变量随水压力的增大而增大,起裂损伤增量和起裂损伤应变随水压力的增大而减小;在水压力增大过程中,初始损伤变量与起裂损伤变量的数值逐渐逼近,起裂损伤增量和起裂损伤应变数值逐渐接近于0,说明库水压力的存在会对侏罗系软岩造成不同程度的损伤,能够加速岩石的裂隙发展和破坏进程。     

盐岩单轴蠕变声发射特征及损伤演化研究

为研究盐岩在长历时蠕变过程的声发射特征规律与损伤演化过程,采用四川大学大型程控流变仪和PAC Sensorhighway II型声发射监测仪器对盐岩进行了为期约一年的单轴蠕变声发射试验,分析了盐岩长历时蠕变过程应变规律与声发射试验结果,探讨了盐岩全蠕变损伤演化过程。试验结果表明,盐岩在为期约一年的蠕变时间内经历了初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段,其中稳态蠕变速率基本维持在6×10~(-5)d~(-1);盐岩全蠕变过程声发射各特征参数规律与蠕变应变趋势基本一致,呈“活跃-平静-活跃”,同时根据声发射参数特征曲线可以预判盐岩进入加速蠕变阶段在300d之时,比由应变曲线(320d)判断更为提前,为储气库工程建设提供室内试验依据;根据声发射时空演化特征揭示了盐岩长历时蠕变损伤破坏路径是从“端部-中部-整部”的形式;基于声发射振铃计数特征参数计算的损伤变量变化趋势与蠕变应变趋势一致,而盐岩蠕变全过程声发射分形维数呈“下降-波动-上升”的趋势,表征声发射经历了一个从无序到有序再到无序的过程,且与蠕变速率曲线变化成一致,分形维数的拐点与声发射提前预判加速蠕变拐点节点相一致,分形维数变化与损伤变量率变化趋势基本一致,进一步分析表明声发射分形维数值基本在2上下波动,损伤变量率基本稳定在0.002d~(-1)周围。     

盐岩单轴蠕变声发射特征及损伤演化研究

为研究盐岩在长历时蠕变过程的声发射特征规律与损伤演化过程,采用四川大学大型程控流变仪和PAC Sensorhighway II型声发射监测仪器对盐岩进行了为期约一年的单轴蠕变声发射试验,分析了盐岩长历时蠕变过程应变规律与声发射试验结果,探讨了盐岩全蠕变损伤演化过程。试验结果表明,盐岩在为期约一年的蠕变时间内经历了初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段,其中稳态蠕变速率基本维持在6×10~(-5)d~(-1);盐岩全蠕变过程声发射各特征参数规律与蠕变应变趋势基本一致,呈“活跃-平静-活跃”,同时根据声发射参数特征曲线可以预判盐岩进入加速蠕变阶段在300d之时,比由应变曲线(320d)判断更为提前,为储气库工程建设提供室内试验依据;根据声发射时空演化特征揭示了盐岩长历时蠕变损伤破坏路径是从“端部-中部-整部”的形式;基于声发射振铃计数特征参数计算的损伤变量变化趋势与蠕变应变趋势一致,而盐岩蠕变全过程声发射分形维数呈“下降-波动-上升”的趋势,表征声发射经历了一个从无序到有序再到无序的过程,且与蠕变速率曲线变化成一致,分形维数的拐点与声发射提前预判加速蠕变拐点节点相一致,分形维数变化与损伤变量率变化趋势基本一致,进一步分析表明声发射分形维数值基本在2上下波动,损伤变量率基本稳定在0.002d~(-1)周围。     

盐岩单轴蠕变声发射特征及损伤演化研究

为研究盐岩在长历时蠕变过程的声发射特征规律与损伤演化过程,采用四川大学大型程控流变仪和PAC Sensorhighway II型声发射监测仪器对盐岩进行了为期约一年的单轴蠕变声发射试验,分析了盐岩长历时蠕变过程应变规律与声发射试验结果,探讨了盐岩全蠕变损伤演化过程。试验结果表明,盐岩在为期约一年的蠕变时间内经历了初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段,其中稳态蠕变速率基本维持在6×10~(-5)d~(-1);盐岩全蠕变过程声发射各特征参数规律与蠕变应变趋势基本一致,呈“活跃-平静-活跃”,同时根据声发射参数特征曲线可以预判盐岩进入加速蠕变阶段在300d之时,比由应变曲线(320d)判断更为提前,为储气库工程建设提供室内试验依据;根据声发射时空演化特征揭示了盐岩长历时蠕变损伤破坏路径是从“端部-中部-整部”的形式;基于声发射振铃计数特征参数计算的损伤变量变化趋势与蠕变应变趋势一致,而盐岩蠕变全过程声发射分形维数呈“下降-波动-上升”的趋势,表征声发射经历了一个从无序到有序再到无序的过程,且与蠕变速率曲线变化成一致,分形维数的拐点与声发射提前预判加速蠕变拐点节点相一致,分形维数变化与损伤变量率变化趋势基本一致,进一步分析表明声发射分形维数值基本在2上下波动,损伤变量率基本稳定在0.002d~(-1)周围。     

考虑不同加载条件的粉砂质泥岩损伤特征

为了研究粉砂质泥岩硐室开挖过程中围岩的损伤特性,该文提出了一个考虑损伤特性的粉砂质泥岩的加载损伤模型。采用三轴压缩试验,得出不同围压、不同加载速率下粉砂质泥岩的应力应变曲线,并与粉砂质泥岩的加载损伤模型相结合得到了粉砂质泥岩在加载过程中的损伤规律。为探究模型的可靠性,根据超声波在发生损伤材料的传导速度衰减特征,利用TICO混凝土超声波测试仪对加载过程中的试件进行超声检测,得到了粉砂质泥岩不同加载阶段的损伤变化规律。结果表明,所提出的的粉砂质泥岩加载损伤模型可以反映粉砂质泥岩的损伤演化规律。     

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model, PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。     

冻融循环作用下砂岩蠕变特性及损伤模型研究

青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。     

饱水-失水循环条件下红层泥岩蠕变特性及本构模型研究

滇中地区红层软岩分布广泛,且具有显著的流变特性,为研究饱水-失水循环条件下红层泥岩的蠕变特性,以龙川江河谷泥岩为研究对象,借助YZJL-300型岩石剪切流变仪,分别进行饱水-失水循环次数30次、50次和100次剪切蠕变试验,通过分析不同循环次数下的剪切蠕变特征,提出了饱水-失水循环条件下泥岩蠕变的本构模型。试验结果表明:(1)随着饱水-失水循环次数的增加,极限瞬时蠕变速率由0.273 mm·h-1、0.365 mm·h-1、0.452 mm·h-1逐渐增加,长期强度逐渐降低;(2)相同剪切荷载下,循环次数越多,泥岩黏弹性模量越低;相同循环次数,剪切荷载越大,泥岩黏弹性模量小;(3)通过Matlab拟合分析提出了黏弹性模量E(n)与循环次数和时间的函数关系式E(n,t),并引入一个非线性黏塑性体建立了龙川江倒虹吸泥岩剪切蠕变本构模型(LCJN);(4)以1stOpt软件基于BFGS算法和通用全局优化法对LCJN模型辨识参数,并验证了模型的准确性和适用性。     

软岩非线性蠕变损伤模型及其试验研究

为了反映软岩蠕变全过程,进行红层泥岩蠕变力学试验,试验发现弹性模量随时间的增长而逐渐衰减,黏滞系数在应力恒定且并未达到屈服应力的情况下,随时间的增长而逐渐增大。因此认为传统理论流变力学中的蠕变损伤处理方法不适用于将黏滞系数进行损伤演化,故引入分数阶微积分来描述软岩蠕变的黏弹性和黏塑性应变。通过构建一个考虑蠕变时效损伤的弹性体,并将其与基于分数阶微积分的黏滞和黏塑性体进行串联,从而建立一个新的非线性蠕变损伤模型。依据红层泥岩和相关文献中冻结软岩及红砂岩的蠕变试验数据,通过该软岩蠕变损伤模型对其进行辨识,充分显示出所建模型的合理性和适用性。     

一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

Creep degradation mechanism by water-rock interaction in the red-layer soft rock

Bank slope stability has become a great concern, while the impoundment of Three Gorges reservoir. The bank slope composed of red-layer soft rock has exhibited distinct deformation and failure. Therefore, a typical red-layer soft rock around Three Gorges reservoir area was selected to demonstrate the process of cyclic changes at the reservoir level and immersion-air-dry cyclic action of water-rock inside hydro-fluctuation belt. To meet the objective of this study, a series of creep tests were conducted on the rock specimens at different water-rock interaction stages. The following points were noticed based on the laboratory results: (1) the creep fracture strength and long-term strength of red-layer soft rock degraded significantly during the process of water-rock interaction. For the first three water-rock interaction circulations, the strength of red-layer soft rock degraded quickly and then gradually became stable. (2) During the creep test, the lateral expansion of red-layer soft rock increased significantly regarding to the number of cycles. (3) The creep curve includes three typical stages at failure stress level—primary (damped) stage, secondary (steady-state) stage, and tertiary (nonlinear accelerated) stage. As the number of cycles increased, the percentage of secondary stage diminished gradually. However, the tertiary stage showed a gradual increment, since the plasticity of the specimens was strengthened by water-rock interaction. (4) The shear failure characteristics of the specimens became highly considerable during the process of water-rock interaction, and there have been a gradual increment of shear rupture zone. (5) The SEM results showed that the specimen microstructure changed its state from dense to loose and porous. The findings of this research provide a good basis for long-term stability analysis of bank slope.     

节理岩体等效流变损伤模型及其在卸载边坡中的应用

重大建设项目对施工过程中岩土体稳定性提出了更高的要求,常以一种动态设计施工模式来应对工程体的各类突发状况与病害。流变损伤模型既能反映岩土体在施工过程中变形的时效发展,又能反映其力学性质的时效劣化,继而能较准确地掌握工程体动态稳定性。基于以上考虑,为体现卸载边坡工程在卸载回弹阶段的瞬时塑性特征和时效演化阶段的黏塑性特征,因此,在流变模型中引入加载塑性元件和黏塑性元件,建立了复合黏弹塑（弹-黏-黏弹-黏塑-塑）模型,室内岩石压缩（卸载）蠕变试验证明了该流变模型的合理性,并对其参数进行辨识。在此基础上,从几何研究方法出发,引入反映节理分布的初始损伤张量及一种等效的依据黏塑性偏应变推导出的损伤演化方程,最终建立了一种新型的节理岩体等效流变损伤模型。将此模型用于川东红层某软硬岩互层型路堑边坡的卸载分析,结果表明：随不同的开挖阶段,易损部位（软岩集中段、软岩深埋段、软硬交接硬岩段）在瞬时卸载回弹阶段的塑性损伤和时效演化阶段的黏塑性损伤逐渐积累,边坡浅表部逐渐出现卸载损伤（松弛）带,在损伤累积中边坡各部位蠕变速率呈不同程度的增长。计算结果较好地反映了边坡变形、损伤发展与动态稳定性特征,其研究结果对于指导支护时机及相应的信息化施工具有一定的意义。     

浸泡作用下砂岩断裂力学特性及劣化机理

岩石的断裂韧度对于定量评价工程的安全及稳定具有重要意义, 而岩石的破坏常常有水参与, 在库水长期浸泡作用下, 岩石的断裂力学特性将如何变化值得深入研究.基于此, 以库岸边坡典型砂岩为研究对象, 设计了长期浸泡试验, 并基于断裂韧度、变形破坏特征和微观结构变化进行综合分析.试验结果表明: (1)浸泡作用下, 砂岩的断裂韧度具有明显的劣化趋势, 而且劣化幅度有一个先增大后减小的趋势, 浸泡5~6月后, 劣化趋势逐渐减缓;(2)砂岩三点弯曲试验的P-CMOD关系曲线可以比较明显地分成3个阶段: 弹性阶段、屈服阶段、裂纹开展及破坏阶段, 随着浸泡时间的增长, 弹性阶段逐渐变短, 屈服阶段逐渐变长, 裂纹开展阶段曲线下降趋势逐渐变缓, 而且达到开裂峰值荷载对应的切口张开位移逐渐增大, 砂岩有逐渐“变软”趋势, 脆性逐渐减弱, 塑性逐渐增强;(3)浸泡作用导致的润滑、软化和砂岩内部微观结构的变化, 特别是微观裂纹、裂隙的发展是导致砂岩断裂韧度及其他力学参数劣化的根本原因.研究成果对于把握库水长期浸泡作用下砂岩断裂力学特性具有比较重要的参考价值.      

软土次固结阶段桩侧负摩阻力变化规律研究

设计软黏土中单桩模型箱试验,模拟了桩周土逐级加荷沉降,通过量测超孔隙水压力、土体沉降及桩身轴力变化,分析了软黏土进入次固结阶段时,桩侧负摩阻力及桩身中性点位置变化情况。研究表明,在次固结阶段桩周土所产生的沉降对桩侧负摩阻力仍具有一定影响,沿桩身呈先增大后减小的趋势;当桩周土所施荷载等级达到一定程度时,桩身中性点位置将随着桩周土次固结时间的增长而逐渐上移。次固结阶段产生的沉降量与土体上所施加的荷载等级有关,随着桩周土荷载等级的增大,次固结阶段产生的沉降所占总沉降的比例逐渐减小,其蠕变效应逐渐减弱。