岩石变形破坏过程中渗透率演化规律的试验研究

利用伺服试验机对灰岩和砂岩进行了应力应变全过程渗透性试验,研究了岩样变形和破坏过程中的轴向应变与渗透率之间的关系,分析了岩样环向应变对渗透率的影响规律,探讨了岩样变形破坏前后渗透压差随时间的变化关系。结果表明,岩样渗透率与应力状态密切相关,渗透率的峰值滞后或超前于应力应变峰值,这与岩石介质本身的特性有关;渗透率-环向应变曲线与渗透率-轴向应变曲线有相同的变化趋势,但岩石环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透率的演化规律;岩样变形破坏峰值前后的渗透压差与时间均遵循负指数关系。最后对岩石变形破坏过程中的渗透机理作了讨论。     

冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律

岩体经受自然冻融循环过程后,其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。借助于MTS815液伺服岩石试验系统对经历不同冻融循环次数的粗砂岩进行三轴压缩试验,研究经历不同冻融循环次数后岩石在不同围压下的强度和变形特性,分析冻融循环次数和围压对岩石强度和变形的影响规律。研究结果表明,在冻融循环次数一定的条件下,随着围压的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量和峰值轴向应变逐渐增加,表明粗砂岩的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏变化;在围压相同的情况下,随着冻融循环次数的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量逐渐减小,峰值应力对应的轴向应变逐渐增加;随着冻融循环次数的增加,粗砂岩的黏聚力均呈指数衰减形式降低,内摩擦角变化很小。      

不同循环加载条件下岩石阻尼比和阻尼系数研究

为了合理地描述岩石的阻尼行为,提出了考虑轴向和环向阻尼振动的岩石阻尼参数计算方法;通过动循环荷载、分级循环荷载和常幅循环荷载试验,对比分析了这3种不同应力路径下砂岩、砾岩及砂砾岩的阻尼特性,得到了阻尼参数对应力幅值、应变幅值的响应特性,揭示了常幅循环加载过程中阻尼比和阻尼系数随循环次数的演化规律;从熵守恒和能量守恒定律出发,建立了岩石阻尼比随循环次数演化的经验模型。结果表明:(1)动荷载下岩石的阻尼比与轴向应变幅值成线性递增,而阻尼系数恰好相反;分级循环荷载下岩石的阻尼参数都随应力幅值成线性递增。(2)疲劳破坏门槛值是岩石耗散能和阻尼比演化规律发生变化的分界点,在应力上限高于疲劳破坏门槛值时,耗散能、阻尼比及阻尼系数随循环次数都呈3阶段的变化规律,演化曲线呈半U型;在应力上限低于疲劳破坏门槛值时,呈现2阶段的发展规律,演化曲线呈L型;(3)通过砂岩的阻尼比试验,验证了所建模型能够描述砂岩在常幅循环荷载过程中阻尼行为。     

周期荷载下盐岩的疲劳变形及损伤特性研究

利用RMT－150C型岩石力学多功能试验机,进行了盐岩单轴循环荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的疲劳强度、变形及损伤特性。试验结果表明,当上限应力大于“门槛值”时,盐岩疲劳破坏时的轴向应变可以分为初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,呈疏－密－疏的发展过程。改变上限应力和平均应力会显著影响疲劳的进程,提高上限应力值和平均应力值,初始轴向变形和循环轴向变形的比率都会提高,疲劳破坏时的总循环次数显著减小。盐岩疲劳破坏终点的变形量同样受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,控制误差范围在10%左右。循环荷载作用下,盐岩的变形模量经历了一个先逐渐增加,后缓慢降低,最后加速减小的过程。对循环荷载作用下盐岩疲劳损伤演化规律进行了初步探讨     

基于Weibull分布的冻结砂岩损伤本构模型研究

冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题,在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大,严重影响冻结壁的安全与稳定。因此,研究冻结岩石的损伤本构关系,对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析荷载作用下冻结岩石变形破坏的全过程,采用Weibull分布描述岩石材料的非均质性,基于Drucker-Prager破坏准则,建立三轴应力状态下岩石损伤本构模型,结合冻结砂岩三轴压缩试验,重点分析本构关系中均质度系数m、平均强度F₀与冻结温度和围压的变化关系,对损伤本构方程进行修正,并基于此模型研究冻结砂岩的损伤演化规律。结果表明:在相同围压下,随着冻结温度的降低,砂岩峰值强度显著增大,峰值应变减小,压密阶段逐渐减弱,弹性变形阶段斜率增加,岩石脆性破坏特征明显。在相同冻结温度下,均质度系数m和平均强度F₀随围压升高无显著变化,而随着冻结温度的降低,m和F₀分别呈现指数增长和线性增长,说明随着冻结温度的降低,砂岩冻结越充分,内部自由水冻结成冰占比及冰体强度增长幅度越大,尤其在0~–10℃内提升效果显著,冻结作用提高了砂岩的均质性和平均强度。基于不同冻结温度砂岩的力学特性和变形规律,对不同冻结温度砂岩的损伤本构方程进行了修正。依据修正本构模型研究发现,损伤演化曲线能够很好地反映冻结砂岩压缩试验的压密、线弹性、屈服变形及应变软化各阶段的变形特征,验证了模型的合理性。研究结果为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。      

煤样单轴压缩时滞性变形破坏的试验研究

在深埋中等坚硬煤层采掘工作面煤壁片帮大多表现出明显时滞性,针对采掘工作面煤壁片帮发生时滞性应力特征,在RMT-150B岩石力学试验系统上进行煤样单轴压缩和分级加载对比试验,分析两种加载方式下煤样时滞性变形破坏特征,结果表明：两种加载方式在煤样峰值前应力-应变曲线宏观没有明显区别,单轴压缩峰值后出现分次应力跌落,而分级加载最后一级应力高于煤样屈服强度时没有明显峰值点,出现屈服平台,峰值后应力跌落迅速;单轴压缩得到的力学参数明显高于分级加载试验值,表现出煤样的力学参数具有时滞性;分级加载应力比低于70%时,煤样轴向和环向变形特征不明显,分级加载应力比高于70%时,尽管轴向应力保持恒定,随着时间延长煤样轴向和环向变形则不断增加,且环向应变远大于轴向应变,体积不断增加,在此期间,煤样继续吸收外界能量内部材料逐步损伤破坏,新生微裂纹不断演化、发展和汇聚,分级加载应力水平比越高,延时破坏越短,相反延时破坏则越长,分级加载时表现出明显时滞性特征;单轴压缩时煤样破坏相对简单,具有明显张剪性双重破裂面,而分级加载时煤样破碎充分,破坏形式复杂,环向膨胀特征明显,与采掘工作面煤壁延时片帮破坏特征极为相似。其研究结果对采掘工作面煤壁延时片帮治理具有一定的参考意义。     

受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏的试验研究

为了研究受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏及变形发展规律,在Instron电液伺服材料试验机上进行了红砂岩的单轴动静组合加载试验。采用自制的一维水平静压加载装置,配合Instron电液伺服材料试验机进行了红砂岩的二维动静组合加载试验。试验表明,受静载荷的红砂岩在周期载荷作用下的破坏形态因所受静载荷的状态不同而不同,在周期载荷作用下的应力-应变曲线表现为滞回圈先疏后密再疏,直至破坏;相同条件的受静载荷的红砂岩受不同周期载荷作用时,尽管其应力-应变曲线表现为不同的滞回圈数和不同的全应变,但仍与岩石在周期荷载作用下疲劳破坏的极限变形规律一致,并且破坏岩石所消耗的有效全应变能有向相同值发展的趋势。     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

碎屑砂岩三轴压缩下强度和变形特性试验研究

基于碎屑岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差、呈孔隙式胶结接触等特点,对碎屑砂岩首先开展了物理特性试验分析,认为其微、细观结构复杂、内部破坏严重,矿物成分为石英、长石、绢云母等,化学成分以SiO2为主,属微透水、小孔隙率砂岩,且渗水化学侵蚀并不显著。其次,开展了静水压力、单轴压缩和三轴压缩试验,研究了碎屑砂岩的强度和变形破坏特性。最后,初步探索了物理特性与强度变形特性的关系。结果表明,静水压力为2.6 MPa时,岩样内部微缺陷压密完成;单轴压缩曲线呈明显6阶段特征,峰值应力达0.98 MPa,属脆-延性破坏;三轴压缩条件下,岩样呈压缩为主的延性扩容破坏,轴向压缩和环向体积扩容达6%和4%;曲线无明显破坏荷载,呈现非线性、塑性硬化、存在屈服平台和体积由压缩向扩容过渡等特性。且体积扩容破损应力与屈服应力基本相同,扩容转折点随围压增加而增大,围压可增强岩样抵抗变形破坏的能力。试验结果旨在为岩石工程稳定分析及本构模型构建提供可靠的依据。     

岩石分数阶体积变形模型及其试验研究

为了可以合理地描述岩石的体积变形行为,从分数阶微积分出发,基于分数阶常黏性和变黏性系数Abel黏壶元件,提出了环向-轴向应变分数阶黏壶,构建了岩石在单三轴压缩,松弛及蠕变条件下的分数阶体积应变-轴向应变关系,得到了模型的解析解,新模型可为求解岩石的体积应变提供一种新方法。在完整砂岩、泥岩试样及单裂隙砂岩试样的单三轴压缩、松弛及裂隙花岗岩蠕变试验数据的基础上,通过拟合分析确定了分数阶导数体积-轴向应变关系模型的参数,并进行了参数敏感性分析,揭示了围压、单裂隙倾角、微分阶数及模型参数对体积应变的影响规律。结果表明,利用该黏壶构建的体积-轴向应变关系模型,不仅可以更好地描述岩石体积变形的剪缩、剪胀特性,还能够反映岩石的松弛及蠕变变形特性。     

清江水布垭水利枢纽地下厂房围岩变形特性研究

通过在水布垭水利枢纽地下厂房中进行变形试验,研究了厂房区岩体的变形特性,采用反分析法进行粘弹性反分析,反演出地应力、弹性模量及粘性参数,并与现场试验结果进行比较,对反算值进行评价。     

上海市地下水位大幅抬升条件下土层变形特征分析

过去对地下水位持续下降条件的地面沉降研究较多,但对水位大幅持续抬升过程中的地面沉降研究较少。本文根据 上海大量地面沉降、水位观测和钻孔资料,系统分析上海市90年代末以来地下水位大幅抬升条件下各土层的变形特征。自 1998年以来,上海市通过大幅压缩开采量、回灌地下水等措施使第二、三、四和五承压含水层水位分别平均抬升2.1 m, 3.6 m, 12.4 m, 12.7 m。水位的抬升使上海市地面沉降平均速率由1998年的12.2 mm/a减小到2011年的1.83 mm/a,减少85%。 通过对27组分层标数据分析发现：现阶段主要压缩层位在第一、二软土层,年沉降速率为2~4 mm/a;而第二含水层以下土 层已经有少量回弹。在水位持续大幅抬升过程中,本文总结了两种变形特征：1） 变形和水位变化基本同步,残余变形量非 常小,变形可概化为线弹性变形,这种变形主要发生在第一、二、三和五承压含水层、第五和六弱透水层;2） 压缩速率逐 渐减小,无明显持续回弹趋势,有较大残余压缩量且存在变形滞后现象,变形可概化为弹塑性变形,这种变形主要发生在 地第二、三和四弱透水层。第四承压含水层变形较复杂,两种变形特征都有。其中较大残余变形量主要由塑性贮水率比弹 性贮水率大2个数量级引起;变形滞后主要由弱透水层中超孔隙水压力消散较慢引起。本文研究成果对于掌握水位抬升过 程中土层变形方式、发生发展机理、预测未来地面沉降及地下水科学管理和资源评价具有重要意义。     

南宁膨胀土非线性流变模型研究

对南宁非饱和膨胀土进行一系列的加载-卸载固结蠕变试验,得到了不同含水率的膨胀土在不同应力水平下应变-时间曲线和不同时刻的应力-应变等时曲线簇。通过对膨胀土各阶段蠕变变形的分析,得到了膨胀土的固结蠕变是包含有黏弹性变形和黏塑性变形成分的非线性蠕变。采用模型流变与经验流变理论相结合的方法,将膨胀土的蠕变变形分成线性和非线性两部分进行分析,蠕变柔量和线性黏弹性模量随时间减小,而线性黏塑性模量随时间增大。结合膨胀土的线性黏塑性模型和非线性黏塑性经验模型,建立能够描述膨胀土非线性流变的黏塑性本构方程。根据试验所得数据,通过非线性拟合方法得到各模型参数,用该模型进行数值分析得到的理论与蠕变试验结果对比非常吻合。研究成果为实际工程提供了流变变形计算分析的可靠依据。     

地铁盾构隧道近接施工风险等级评估方法研究北大核心CSCD

为准确掌握地铁盾构近接施工的风险等级,以近接既有隧道施工断面的地表沉降变形监测成果为基础,先分析研究其变形规律,再利用累计变形判据和变形速率判据实现近接施工的风险等级评估。实例分析表明:在近接施工段,地表变形具波动起伏特征,最大沉降量已达27.22 mm,说明近接施工对周围土体的扰动影响较为显著,但就现状变形而言,累计沉降量及变形速率均在预警值范围以内;同时,在近接施工风险等级评估过程中,各类风险判据的评估结果是不同的,侧面说明了近接施工风险评估判据应具多样性,且通过计算,得不同监测点的综合风险等级也存在一定差异,风险等级间于Ⅱ级~Ⅲ级,按不利原则,综合确定近接既有隧道段的施工风险等级为Ⅲ级,需提高监测频率,以切实保证施工安全。本次研究为合理评价近接施工风险等级提供了一种新的思路。     

陆相湖盆沉积物滑塌变形研究进展

陆相湖盆中沉积物滑塌常造成复杂的同沉积变形,对确定古地震事件、古地形等有重要作用,系统研究滑塌变形体系有助于厘清变形成因、理解变形机理和深化区域构造背景认识。笔者等梳理国内外滑塌变形研究进展,总结沉积物顺坡滑塌的形成条件、滑塌变形特征,尤其是滑塌褶皱的形态演化、伴生构造、对古斜坡的指示、有关滑塌变形的物理模拟等,并结合野外变形成因的识别,探讨滑塌成因与后期构造成因变形的有效鉴别标志。综合分析认为,陆相湖盆滑塌变形与重力流沉积密不可分,单一滑塌体的褶皱形态从滑塌体后缘到前缘由圆柱状褶皱、紧闭等厚直立褶皱转变为蘑菇状褶皱,演化过程可划分为多个阶段。在滑塌褶皱中存在逆冲断层、碎屑脉体、不规则侵蚀面、软布丁构造等,引起滑塌变形的机制可分为应力作用机制和液化作用机制。物理模拟因其可改变材料物理参数的优势,可能成为未来滑塌变形的重要研究方向。指出在鉴别滑塌成因变形和后期构造成因变形研究中仍然存在较多争议,其中未固结沉积物的活化、再改造、生物扰动、液化现象的存在是确定软沉积物变形的关键,变形构造在大尺度、层系规模上具有相同的应力场并与区域构造背景相符合是后期构造成因变形的最有力证据。     

陆相湖盆沉积物滑塌变形研究进展

陆相湖盆中沉积物滑塌常造成复杂的同沉积变形,对确定古地震事件、古地形等有重要作用,系统研究滑塌变形体系有助于厘清变形成因、理解变形机理和深化区域构造背景认识。本文梳理国内外滑塌变形研究进展,总结沉积物顺坡滑塌的形成条件、滑塌变形特征,尤其是滑塌褶皱的形态演化、伴生构造、对古斜坡的指示、有关滑塌变形的物理模拟等,并结合野外变形成因的识别,探讨滑塌成因与后期构造成因变形的有效鉴别标志。综合分析认为,陆相湖盆滑塌变形与重力流沉积密不可分,单一滑塌体的褶皱形态从滑塌体后缘到前缘由圆柱状褶皱、紧闭等厚直立褶皱转变为蘑菇状褶皱,演化过程可划分为多个阶段。在滑塌褶皱中存在逆冲断层、碎屑脉体、不规则侵蚀面、软布丁构造等,引起滑塌变形的机制可分为应力作用机制和液化作用机制。物理模拟因其可改变材料物理参数的优势,可能成为未来滑塌变形的重要研究方向。指出在鉴别滑塌成因变形和后期构造成因变形研究中仍然存在较多争议,其中未固结沉积物的活化、再改造、生物扰动、液化现象的存在是确定软沉积物变形的关键,变形构造在大尺度、层系规模上具有相同的应力场并与区域构造背景相符合是后期构造成因变形的最有力证据。     

弱膨胀土浸水变形特性及其预测

对取自江苏省淮安市的膨胀土进行了浸水后的膨胀变形和压缩变形试验。在竖向压力25~800 k Pa范围下,研究了不同初始含水率和初始干密度对浸水膨胀变形特性的影响。结果表明:浸水饱和膨胀变形量主要取决于初始干密度,且初始含水率也有一些影响;在相同的含水率下,膨胀变形量随着干密度的增加而增大;在相同干密度条件下,含水率越大,浸水膨胀变形量略微减小。根据各组的固结状态线和浸水饱和膨胀后状态线的交点,得出了介于浸水膨胀和浸水压缩的分界状态线,此线基本上不受初始含水率的影响,进而可以判定不同孔隙比、不同竖向压力下土样处于浸水膨胀还是压缩。最后,基于浸水变形试验结果,提出了一种简便的预测弱膨胀土在不同竖向压力下膨胀变形量的方法。     

古王陵变形破坏机理及稳定性研究——以国家重点文物高句丽太王陵为例

本文在现场工程地质条件及变形破坏特征勘察的基础上,对高句丽太王陵的稳定性进行了研究,并用三维有限差分程序FLAC3D对陵体在自重和渗流场藕合作用下的应力和变形规律进行了研究。研究表明:(1)太王陵出现的条石内倾、条石拉开等变形是由其本身的结构特点及其在自重作用下形成的;(2)持力层承载力不足,地基失稳是引起该国家重点文物破坏的主要原因;(3)陵坡滑移是由于本身安全储备较低,在地基失稳和地震等的共同作用下引发的。     

利用变形花岗岩体中的长石矿物进行有限应变测量初探

岩石有限应变测量的方法较多，相比之下，“长短轴法”最简单、快捷，野外易于操作，但是对所选的对象变形前要求近圆形，或者椭圆形，且随机分布。花岗岩区很难找到满足此条件的颗粒。在《1：25万玉门镇幅》调研的过程中，试以长石颗粒为研究对象，进行长短轴法变形测量，将其结果与相邻变形砾石、杏仁体和包体测量结果进行对比，发现它们具有相似的应变椭圆轴率，证实在变形花岗岩区可以用变形长石颗粒研究区域变形的特点。     

安徽寿县新元古界一个滑塌-滑脱软沉积物变形复合构造的发现及地质初探

安徽寿县新元古界四十里长山组底部粉砂岩层中发现了一个滑塌-滑脱软沉积物变形复合构造,剖面观察显示,该沉积变形构造经历了滑塌变形、滑脱变形、震动液化变形等3次以上的变形过程,很好地保存了原始沉积面貌和沉积变形特征;分析该沉积变形构造的成因,发现变形构造属于软沉积物变形构造类型,形成于浅海陆棚边缘斜坡相带。引起软沉积物变形的动力是地震事件产生的多次震动波作用,造成软沉积物滑塌、滑脱褶皱、震动液化泄水等变形作用,形成了具有复杂变形特征的软沉积物变形复合体,是一次地震事件多次地震活动的沉积记录。