水-岩作用下粉砂质泥岩含水损伤本构模型

软岩遇水具有显著的劣化效应,以往研究主要集中于软岩的流变特性,对水-岩作用下软岩的含水损伤研究较少,但水-岩作用下软岩的含水损伤效应对工程建设的指导至关重要。因此,以滇中地区粉砂质泥岩为研究对象,对干燥状态、天然含水率和饱水条件下的粉砂质泥岩试样进行三轴压缩蠕变试验。试验结果表明:（1）不同含水率试样在初始加载阶段产生的应变量均远大于后期逐级加载阶段的应变增加量,且随着含水率的增加初始加载蠕变量逐渐增大;（2）随着含水率的提升,最终蠕变量逐渐增加,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值逐渐降低,长期强度也显著降低。根据试验结果,基于损伤理论,引入一个非线性黏塑性体考虑含水情况对蠕变的影响,提出基于经典Burgers模型并具有水-岩作用劣化特征的含水损伤蠕变本构模型。通过1stopt软件辨识参数,并验证了模型的准确性和可适性。研究结果对于滇中红层软岩的含水损伤特性研究提供了一定的参考。     

巴东组典型红层软岩单轴压缩试验细观组构特征

红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩是巴东组特殊性岩土的代表,具有遇水易崩解特性。根据岩样单轴压缩试验,基于PFC_2D程序,建立中硬岩、软岩单轴压缩试验数值模型;模型选用平行黏结颗粒接触模型。根据应力-应变曲线特征,采用分段定量参数标定法对软岩试样的细观参数进行标定;且通过调整法向和切向黏结强度比值σ_c/τ_c,控制试样单轴压缩破坏模式;分别对不同风化程度的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩在饱和、天然状态下单轴压缩试验过程进行模拟;并分析了试验过程中颗粒法向接触力、切向接触力、配位数、孔隙度等细观组构参数的分布特征和演化规律。研究结果表明:该数值方法能够很好地模拟中硬岩、软岩的单轴压缩试验过程,除中风化粉砂质泥岩外,风化程度和浸水条件仅能影响试样颗粒接触力在统计角度范围的大小,不能影响其分布形式;同时,风化程度和浸水条件延长了配位数显著下降的加载时间,配位数随裂缝数量的增加而减小;浸水条件和风化程度对泥质粉砂岩的孔隙度演化影响较大;风化程度对粉砂质泥岩孔隙度演化影响较大,而浸水条件影响较小。      

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

酸雨水化学损伤加剧粉砂质泥岩崩解机制研究

酸雨区泥质岩崩解相对于非酸雨区显著增强,但其机制尚有待进一步研究。以酸雨条件下水化学损伤的形成及其发展特性入手,选取典型酸雨区攀枝花市机场滑坡粉砂质泥岩,进行不同pH值条件下（pH=7、5、3）的耐崩解性试验。通过测定试验后崩解液离子成分变化、观察酸雨作用前后粉砂质泥岩薄片镜下特征、分析试样崩解破坏模式,探究酸雨水化学损伤加剧粉砂质泥岩崩解的细观机制;引入比表面积增量指标表征崩解残留物破碎程度,定量评价酸雨水化学损伤对粉砂质泥岩崩解的加剧效果。研究结果认为,粉砂质泥岩酸雨水化学损伤主要源于特定矿物的溶蚀,为其崩解劣化提供额外路径;随着崩解液pH值降低,粉砂质泥岩水化学损伤增强,崩解路径增多,崩解破坏模式发生转化,崩解残留物愈发破碎;采用比表面积增量指标可良好反映崩解残留物的破碎程度,崩解残留物愈破碎,比表面积增量指标值越大,粉砂质泥岩崩解程度越高。结论可为酸雨地区岩土体工程性质评价及加固设计提供理论参考。     

多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。     

循环荷载下砂岩疲劳损伤过程的声学特性分析

利用电液伺服疲劳试验机系统研究了砂岩在单轴受压循环荷载作用下的疲劳损伤特性,配合智能型超声波检测设备及损伤在线实时监测系统,对砂岩试件在疲劳损伤过程中的声学参数（超声波速、时域波幅、波形）进行了实时的测量及详细地分析研究。结果表明,在循环加载过程中横向超声波速随损伤的发展变化比较敏感,呈现有规律的倒S型三阶段衰减现象,可以客观地描述砂岩的疲劳损伤特性及直观地反映疲劳损伤的各个阶段;超声波时域幅值在砂岩疲劳损伤过程中变化不稳定;波形在砂岩损伤过程中从有规则的纺锤形逐渐发生畸变,波形相关系数随循环次数的增长呈现整体下降趋势。研究成果进一步丰富了声学数据在疲劳损伤过程中的应用,从声学角度探讨了岩石疲劳损伤过程的微观机制,为进一步选择声学参数进行岩石疲劳损伤过程的跟踪识别提供试验依据。     

饱和珊瑚砂最大动剪切模量的循环加载衰退特性及预测模型

对南沙饱和珊瑚砂进行应变控制的不排水循环加载动三轴试验,分析了珊瑚砂的初始最大动剪切模量G_0特性,以及加载过程中的最大动剪切模量G_(0,N)的衰退规律。珊瑚砂的G_0比普通陆源砂的高;相比于陆源砂,平均有效围压σ'_0对珊瑚砂G_0的影响更大。珊瑚砂G_0与陆源砂G_0的差异主要由珊瑚砂颗粒形状不规则,存在内孔隙的特性引起。根据滞回圈加卸载应力反转处的斜率计算第N次循环加载的G_(0,N)。加载过程中最大动剪切模量的衰退主要由孔压的增长和结构损伤引起。相比于陆源砂,珊瑚砂的G_(0,N)随超静残余孔压比r_u增长而衰退的速率更快。现有陆源砂G_(0,N)/G_0-r_u模型无法反映珊瑚砂的G_(0,N)衰退规律。基于弹性应变能理论,提出了可以描述土体损伤状态的损伤参数P_d,探究了不同加载模式下珊瑚砂G_(0,N)/G_0随P_d的发展规律,并建立了预测珊瑚砂G_(0,N)的损伤模型。     

饱和粉土液化后变形特性试验研究

利用多功能静动液压剪切三轴仪,进行了一系列饱和粉土液化后变形特性试验,研究了干密度和液化程度对粉土液化后变形特性的影响,并考虑试验动加载前小幅预振和不规则动加载对粉土液化后变形特性的影响。试验结果表明,液化后变形可由两段应变 和 组成。干密度越小, 越大, 段剪切模量越低;液化越严重 越大,不同液化程度对 段剪切模量影响很小;动加载前小幅预振和不规则动加载对液化后变形影响较小。提出了饱和粉土液化后变形模型,给出了模型参数的推导。验证结果表明,该模型的计算值与试验值吻合较好,说明该模型能很好地描述这种变形行为。     

饱和珊瑚砂最大动剪切模量的循环加载衰退特性及预测模型

对南沙饱和珊瑚砂进行应变控制的不排水循环加载动三轴试验,分析了珊瑚砂的初始最大动剪切模量G_0特性,和加载过程中的最大动剪切模量G_(0,N)的衰退规律。珊瑚砂的G_0比普通陆源砂的高;相比于陆源砂,平均有效围压σ'_0对珊瑚砂G_0的影响更强。珊瑚砂G_0与陆源砂G_0的差异主要由珊瑚砂颗粒形状不规则,存在内空隙的特性引起。根据滞回圈加卸载应力反转处的斜率计算第N次循环加载的G_(0,N)。加载过程中最大动剪切模量的衰退主要由孔压的增长和结构损伤引起。相比于陆源砂,珊瑚砂的G_(0,N)随超静残余孔压比r_u增长而衰退的速率更快。现有陆源砂G_(0,N)/G_0–r_u模型无法反映珊瑚砂的G_(0,N)衰退规律。基于弹性应变能理论,提出了可以描述土体损伤状态的损伤参数P_d(damage parameter),探究了不同加载模式下珊瑚砂G_(0,N)/G_0随P_d的发展规律,并建立了预测珊瑚砂G_(0,N)的损伤模型。     

西藏贡觉粉砂质泥岩工程地质特性与蠕变强度研究

川藏铁路在穿越西藏贡觉地区时遇到三叠系粉砂质泥岩,在高地应力条件下容易发生大变形等危害。文章开展了不同围压下的岩石三轴压缩和和三轴蠕变试验,结合PFC数值模拟,研究了粉砂质泥岩在不同围压下的蠕变特性和长期强度研究,结果表明:贡觉粉砂质泥岩流变具有西原蠕变模型特征,蠕变与常规三轴试验条件下,随着围压不断增大,粉砂质泥岩试样均由拉-剪破坏向单剪破坏过渡,剪切破裂面与水平线的夹角逐渐减小,微裂纹数量减少;蠕变试验相较于常规三轴试验,由拉应力引起的压碎带影响范围更广;在高围压条件下,粉砂质泥岩更容易发生流变,随着围压的增大,轴向应变、侧向应变和体积应变均增大,微裂纹数量呈下降趋势;瞬时弹性模量及黏弹性系数与围压呈线性递增关系,黏弹性模量与围压呈对数型增长关系,黏塑性系数与围压呈指数型增长关系。在荷载长期作用下,岩石长期强度低于瞬时强度。     

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。     

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。     

循环荷载下含软弱夹层岩体声学特性试验研究

利用振动试验台系统研究循环荷载作用下含软弱夹层岩体的疲劳损伤特性,结合超声波检测仪和动态信号测试分析系统,对疲劳损伤过程中缺陷岩体声学参数进行实时的监测和细致的研究。结果表明:整个疲劳周期内,不同损伤阶段超声波波速变化最为敏感,呈倒S型衰减规律;波形在损伤过程中从近似半圆形逐渐发生畸变,波形相关性系数总体上随循环次数比的增加呈下降趋势;超声波波幅在疲劳损伤中期波动较大,频域最大幅值和主频变化特征曲线规律不明显,仅在临近破坏时才表现出快速下降趋势,无法对其真实频域特性进行有效分析和识别。最后,基于超声波波速定义损伤变量,提出以Logistic方程的逆函数形式或4次多项式方程来描述含软弱夹层岩体疲劳累积损伤演化方程。研究成果可为各类振动环境下边坡的疲劳稳定性评价和加固工程设计奠定理论基础。     

孔隙水压力分级加载砂岩蠕变特性研究

采用RLW－2000 M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石孔隙水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性及模型研究,重点分析了孔隙水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变（应变速率）、等效孔隙体积（体积速率）演化曲线,同时对不同孔隙水压力分级加载条件下的岩石蠕变演化曲线进行了模型分析和对比。试验结果表明,逐级加载孔隙水压作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化3阶段特征;分级加载水压力的孔隙体积演化规律符合微孔洞的损伤过程的3个阶段规律;利用西原体模型进行理论与试验蠕变曲线对比,蠕变方程曲线与试验曲线的演化规律吻合。     

硬岩层爆超声波平测法试验研究

为了克服巷(隧)道岩爆破裂演化及监测研究的不足,结合全过程超声波平测法监测,开展了花岗岩试样单面约束情况下的双轴压缩试验,得出了硬岩超声波平测法均质度及波速的确定方法,分析和探讨了硬岩层爆机理及超声波平测波形规律。结果表明,爆裂体呈现明显层裂现象,岩爆核心位于临界爆裂前的临空面内部应力集中区;平测波形可以揭示硬岩层爆的孕育演化进程,在加载过程中超声波平测波速总体呈现阶段性下降趋势,后续波到达时间在加载前期和中期总体变动不大,到了后期明显增加,后续波波幅在加载过程中总体呈现下降趋势,爆裂前波幅有所增加;探讨了超声波平测法在硬岩层爆现场监测中的应用,可以根据平测法波形、波速的变化情况预测硬岩层爆和实现对围岩的无损监测,可进一步通过损伤变量揭示其损伤演化进程并实现预测。     

重复荷载下模型支盘桩工程性状的试验研究

为研究在粉黏土中支盘桩在重复加载下的工程性状,在粉黏土中进行一次加载试验,测出其极限承载力,分别对一个双盘模型支盘桩在其极限荷载和0.75倍极限荷载的条件下各进行了5次重复加载卸载试验。根据试验结果,分析了在该土层中支盘桩的承载力和变形特性,研究了重复荷载作用下模型支盘桩在粉黏土中荷载传递的特点、桩身不同位置压力变化的特点,特别是对桩周土体对桩侧表面产生的摩擦力出现复杂变化的原因进行了分析,同时还分析了离盘不同距离的土体在重复加载过程中的压力变化情况和原因。研究结果表明,不同强度的荷载重复作用下对桩的沉降变形的收敛影响很大;支盘桩和桩周土体的相互作用机制十分复杂,因此要充分认识支盘桩在重复荷载作用下的工程性状和荷载传递机制还要做大量地研究。     

考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究

以北山花岗岩为研究对象,采用MTS815岩石力学试验系统开展不同温度条件下的蠕变特性试验研究。考虑温度对花岗岩特征参数的影响,结合岩石蠕变破坏过程中的损伤演化规律,提出了一种新的高温损伤流变元件。通过将高温损伤流变元件代替经典西原模型中Newton元件的方法,构建了能够描述不同温度条件下花岗岩蠕变全过程的本构模型。分析了不同温度条件下花岗岩单轴蠕变试验结果,确定了模型参数,获得了温度对花岗岩蠕变关键参数的影响规律。通过对花岗岩高温蠕变模型进行参数敏感性分析,揭示了弹性模量、黏性系数等关键参数对花岗岩蠕变特性的影响规律,并验证模型在不考虑温度及损伤的影响条件下可退化为经典西原模型。研究表明,建立的花岗岩高温蠕变本构模型可以准确地描述花岗岩典型蠕变全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段。黏性系数受损伤的影响越大,花岗岩的稳定蠕变阶段越短,越容易发生加速蠕变。     

基于硬化-损伤机制的贫煤蠕变本构模型研究

岩石蠕变是其内部硬化效应和损伤效应共同作用演化的结果。通过分级加载下贫煤单轴压缩蠕变试验,基于试验中瞬时弹性模量增大和黏滞系数减小的现象,分析贫煤蠕变中的硬化-损伤机制。结果表明,较低应力下煤样的变形仅为瞬时应变,煤样仅有硬化效应;当应力达到蠕变起始应力阈值时煤样逐渐出现损伤,次生裂纹出现并扩展,硬化效应与损伤效应共同作用下煤样表现出衰减蠕变和稳定蠕变特征。长期蠕变过程中煤样强度经历先硬化再弱化的过程,最终因累计损伤过大而失稳破坏,依据各级应力下煤样的变形特征,构建了符合其变形规律的黏弹塑性组合模型,并引入了硬化函数和损伤函数,推导得到其蠕变本构方程。采用该模型描述分级加载下贫煤单轴压缩蠕变变形曲线,试验曲线和模型曲线吻合良好。该模型元件简单,物理意义明确,能很好地反映贫煤单轴压缩下的硬化–损伤蠕变特性。     

巴东组易滑地层异性层面剪切特性及水致劣化规律研究

异性层面剪切特性及水致劣化规律是巴东组地层岩体稳定性及地质灾害致灾机制研究的基础。以巴东组3类典型异性层面(粉砂质泥岩/泥质粉砂岩、泥质粉砂岩/泥灰岩、泥灰岩/泥岩)为研究对象,首先开展了3类典型异性层面的壁岩电镜扫描试验、天然及饱水状态下的壁岩单轴压缩试验,分析了巴东组典型异性层面壁岩微观特性及壁岩宏观力学性质的水致劣化规律。在此基础上,开展了天然和饱水状态下3类典型异性层面的室内直剪试验,研究了巴东组典型异性层面剪切特性,提出了异性层面基本摩擦角的预测公式。基于上述试验结果,分析了巴东组典型异性层面的水致劣化规律。研究表明:(1)巴东组异性层面壁岩黏土矿物含量及微观结构对异性层面剪切特性的水致劣化规律具有重要影响;(2)异性层面的基本摩擦角介于两侧壁岩对应的同性结构面的基本摩擦角之间,且更接近强度较低一侧壁岩同性结构面的基本摩擦角;(3)异性层面的水致劣化系数主要受控于强度较低一侧壁岩的软化系数;(4)巴东组粉砂质泥岩/泥质粉砂岩、泥质粉砂岩/泥灰岩及泥灰岩/泥岩间异性层面的劣化系数分别为0.915、0.951和0.731。     

不同建模假定下岩石损伤黏弹模型的参数转换关系探讨

将外界因素对岩石变形的影响考虑为瞬间弹性损伤和长期蠕变损伤,并根据加载瞬间弹性模量及蠕变模量的劣化分别对瞬间弹性损伤变量和蠕变损伤变量进行定义,由此建立了考虑损伤的kBurgers模型。在此基础上,通过假定泊松比和体积模量为常量分别得到了对应的模型三维表达式,并得到了不同建模思路下模型参数间的换算关系。最后结合实际算例,对常体积模量假定下模型参数随含水率变化的损伤演化规律进行了分析,获得了常体积模量假定下模型的瞬间弹性损伤和长期蠕变损伤演化方程,检验了模型参数换算关系的有效性。