海底隧道风化花岗岩流变试验研究

采用全自动三轴流变试验机对厦门东通道海底隧道风化槽地段岩石进行三轴压缩流变试验,研究了岩石在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律。试验表明,强风化花岗岩时效特性较全风化花岗岩更加明显;围压对岩石蠕变变形存在很大影响,围压越大,蠕变变形量越小。通过分析岩石压缩流变过程中应力-应变关系可知,蠕变变形在弹性阶段不对岩石整体构成明显损伤。而进入塑性阶段后,黏塑性变形对岩石破坏影响较大。建议通过支护增加围压,以提高隧道围岩屈服强度和减小流变变形,防止隧道失稳破坏。     

不同围压下岩石广义应力松弛特性试验研究

实际工程中有些岩体发生的流变性既不是纯蠕变又不是纯应力松弛,表现为应力和应变同时发生变化。利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,研究了不同围压条件下岩石的广义应力松弛特性,试验结果表明,岩石存在应变及应力同时增大、应变增大而应力减小、应变及应力都减小的情况,岩石蠕变和应力松弛行为属于岩石广义应力松弛现象的特例;在不同情况下的广义应力松弛过程中围压对岩石广义应力松弛特性的影响不甚相同,岩石轴向应变增大时围压越高岩石试件轴向变形越困难,岩石应变减小时围压越高岩石试件变形越明显。采用广义应力松弛试验方法,开展单轴及三轴压缩荷载作用下岩石广义应力松弛试验研究,对不同情况下岩石广义应力松弛特性的围压效应进行对比分析,以期对后期开展更深入的三轴广义应力松弛试验研究具有一定的指导和借鉴意义。     

含软弱夹层层状隧道围岩变形机理研究

堡镇隧道地质条件复杂,局部地段处于高应力区,围岩变形具有变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长的特征。通过对堡镇隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,不论强度高、节理裂隙发育的砂质页岩,还是处于高地应力、强度低、围岩破碎的炭质页岩,掌子面有软弱夹层分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重的多。因此,依据软弱夹层与掌子面围岩的典型组合情况,结合堡镇隧道所揭示的不同围岩室内三轴试验结果,建立了含软弱夹层围岩的力学模型,探讨了含软弱夹层围岩变形破坏的形成演化过程,揭示了高地应力条件下软弱夹层引起围岩变形失稳的机理。     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变本构模型研究

依据粉砂质泥岩三轴压缩蠕变试验结果,分析了岩石的蠕变力学特性。选取线性黏弹性Burgers模型来描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变特性。引入非线性黏塑性元件,将其与Burgers模型串联起来,建立一个新的六元件非线性黏弹塑性Burgers蠕变本构模型。采用非线性Burgers模型来描述岩石的加速蠕变特性。应用Levenberg-Marquardt算法对蠕变试验曲线进行辨识,得出各级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,表明线性Burgers模型与非线性Burgers模型可以准确描述岩石3个蠕变阶段的力学特性。模型参数辨识结果表明,在同一级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数各自独立并不统一,模型参数取值时应考虑岩石蠕变的各向异性以及轴向与径向蠕变量、蠕变速率大小的差异。在前7级应力水平下,模型参数应取以轴向应变辨识得到的Burgers模型参数;在第8级应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的Burgers模型参数;在破裂应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的非线性Burgers模型参数。     

厦门海底隧道围岩流变特性及其特征曲线

厦门海底隧道是我国建设的第一条海底公路隧道,其穿越的F1,F2,F3,F4共4条断层破碎带,洞体围岩软弱、破碎,流变属性十分明显。对该类岩石进行了室内三轴压缩流变试验。试验结果表明,幂律型蠕变模型可以用来较好地模拟该类岩石除第三阶段蠕变以外的蠕变行为,并得到幂律型蠕变模型的相关流变参数。将幂律型蠕变方程和Drucker-Prager屈服准则相耦合来描述岩体的非线性黏弹塑性特性,应用数值方法研究了该隧道围岩的变形特性及其特征曲线。     

川藏铁路孜拉山区片麻岩蠕变特性及本构模型研究

川藏铁路孜拉山区片麻岩分布广泛,岩石各向异性特征显著,深埋隧洞修建时围岩变形直接影响隧洞稳定及加固措施。为揭示川西—藏东孜拉山区片麻岩的蠕变特征,开展了三轴压缩蠕变试验,发现了一种裂纹异常扩展现象,在叠加原理的基础上通过绘制等时应力-应变曲线确定长期强度。基于Burgers模型建立一种更符合工程实际的蠕变本构模型,采用麦夸特算法和全局优化算法进行参数辨识。结果表明:同一围压条件下,试样瞬时应变增量随应力等级增大而变小,发生硬化现象;片麻岩试样在蠕变特性中表现出因微观结构各向异性而引起裂纹异常扩展的现象,在衰减蠕变阶段其蠕变速率因裂纹异常扩展而骤增;长期强度随围压增大而增大,与常规三轴试验条件相比,长期强度分别下降59.8%和21.3%。本研究构建的改进的Burgers模型更加符合实际情况,所得到的试验力学参数可为工程建设及灾害防治提供科学依据。     

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。     

渗透压–应力耦合作用下页岩渗透性试验

为了探究渗透压-应力耦合作用下页岩的渗透性,选用岩石伺服三轴试验系统,在不同渗透压差和围压条件下对页岩进行全应力、应变渗透性试验。分析页岩不同变形阶段与渗透率的关系,探讨页岩破坏过程中形成的局部压缩带与渗透性的关联性。试验结果表明:相同渗透压差、不同围压下,初始渗透率随着围压增大而呈不同程度的减小,峰值强度随着围压增加而增大;相同围压、不同渗透压差下,试样渗透率随着渗透压差增加而呈不同程度的增大,但是峰值强度有一定程度的降低;试验结果表明,页岩出现了局部压缩带的现象,压缩带的出现对渗透率增加有着抑制的作用,它的出现并不是页岩脆-延转换临界点出现的特征,而是孔裂隙萌生、扩展并开始软化的标志性特征;页岩试样在高围压条件下出现硬化现象,在低围压条件下的页岩试样内部孔裂隙渗流网络的形成早于高围压下硬化的页岩试样,破坏模式以高角度剪切破坏为主。研究页岩不同应力环境下的渗透性,对揭示页岩气开发过程中页岩的渗流机制具有实际意义。     

中国南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系。试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,本文采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系,试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,本文提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

Comparison of the characteristics of rock salt exposed to loading and unloading of confining pressures

Rock mechanical behaviors and deformation characteristics are associated with stress history and loading path. Unloading conditions occur during the formation of a salt cavity as a result of washing techniques. Such conditions require an improved understanding of the mechanical and deformation behaviors of rock salt. In our study, rock salt dilatancy behaviors under triaxial unloading confining pressure tests were analyzed and compared with those from conventional uniaxial and triaxial compression tests. The volume deformation of rock salt under unloading was more than under triaxial loading, but less than under uniaxial loading (with the same deviatoric stress). Generally, under the same axial compression, the corresponding dilatancy rate decreased as the confining compression increased, and under the same confining compression, the corresponding dilatancy rate increased as the axial compression increased. The dilatancy boundary of the unloading confining pressure test began with unloading. This is different from the dilatancy of the uniaxial and triaxial compression tests. The accelerated dilatancy point boundary stress value was affected by confining and axial compressions. The specimens entered into a creep state after unloading. The associated creep rate depends on the deviatoric stress and confining compression values at the end of the unloading process. Based on unloading theory and the experimental data, we propose a constitutive model of rock salt damage. Our model reflects the dilatancy progression at constant axial stress and reduced lateral confinement.     

共和隧道开裂段页岩蠕变本构试验及离散元数值模拟研究

渝湘高速公路共和隧道地质条件十分复杂,隧道施工遇到很大困难,隧道开挖后初期支护多处出现纵向开裂。开裂段围岩为砂质页岩,现场实际监测资料表明,页岩层理、节理发育,易风化,亲水性较强,有水软化倾向并具有一定蠕变性。页岩的这些性质对隧道初期支护效果及隧道长期稳定性具有重要影响。鉴于此,对共和隧道页岩进行蠕变试验,通过系列试验得到不同应力水平下页岩的应变-时间关系曲线,建立与之适应的蠕变模型,并推导出蠕变公式,计算出公式中相应参数值。在此基础上,应用离散元数值计算方法对隧道开裂段施工全过程进行研究,分析了隧道围岩可能的破坏模式以及隧道锚杆支护结构的受力情况等。研究成果为隧道开裂段初期支护结构新方案的设计提供了重要支撑,成功地解决了隧道初期支护纵向开裂的工程难题。     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

引红济石引水隧洞围岩力学特性研究

引红(红岩河)济石(石头河)引水隧洞围岩断层带破碎松软,岩石强度低,自稳能力差,易产生大变形。以上不良地质条件使其隧洞施工过程中经常会遇到TBM卡机等一系列特殊问题。针对引红济石引水隧洞施工中存在的软岩隧洞大变形问题,首先开展了X射线衍射、崩解试验,分析了试样的组成成分、黏土矿物含量对崩解性影响;再通过一系列单轴压缩试验、三轴压缩试验和蠕变试验研究了该类岩石不同应力条件下的变形破坏特征及蠕变特性。试验结果表明,该类岩石含有大量的黏土矿物(33.49%),对水比较敏感,遇水膨胀易崩解,导致岩体软化;试样具有较大塑性压缩变形,其应力-应变曲线为应变强化型,且没有明显的峰值。基于试验研究成果和现场监测数据,对该软岩隧洞大变形机制进行了分析,并提出了在围岩与管片之间安装聚氨酯缓冲层的新型支护方案,通过数值计算对支护方案的合理性进行了验证。分析结果表明:聚氨酯缓冲层可以很好地吸收围岩形变压力,避免应力集中带来的管片错台,从而大大减小管片上破坏区的产生。研究成果对该类岩体中隧洞的设计施工以及长期稳定性分析具有重要的参考作用。     

盐岩蠕变特性和本构关系研究

对金坛盐岩蠕变规律进行了试验研究,分析了不同应力状态和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过试验获取了蠕变曲线和蠕变特征参数。根据其蠕变曲线特征,用黏弹塑性理论建立了盐岩蠕变本构模型。试验结果表明,稳态蠕变率是偏应力和温度的非线性函数关系,并提出盐岩的稳态蠕变本构方程。通过试验数据拟合得到本构方程中的参数,将理论和试验结果进行比较,结果表明两者的吻合性较好。     

深部盐岩蠕变特性研究

通过对湖北云应的盐岩和泥岩,以及江苏金坛盐岩的单轴、三轴蠕变试验结果的分析,研究了包括应力、围压等外在条件以及内部组成结构对盐岩蠕变特性的影响。发现盐岩无论在何种围压下,稳态蠕变率都随偏应力的增加而显著地增大;围压起到限制变形的作用,而随着围压增高,围压对稳态蠕变率的影响越来越小;晶粒越大和杂质含量越多,盐岩的蠕变属性越弱。盐岩的蠕变变形是应变硬化和回复效应等内部变形机制共同作用的结果,选用内应力作为内变量可用来描述这种内部微观结构的演化过程。对云应盐岩的多级加载蠕变试验数据进行拟合,确定了非线性蠕变本构方程中的参数,理论与试验结果的比较表明,两者吻合性较好。     

不同应力状态下软黏土蠕变特性试验研究

土的蠕变性质受到许多因素的影响,在不同的应力条件下土会呈现出不同的性状。天津滨海吹填软土同样具有一般软土的蠕变特性,以其为研究对象,利用土体三轴流变试验机进行了三轴不固结不排水蠕变试验和单轴压缩蠕变试验,并选取了10个时间节点取样进行微型十字板剪切试验,研究抗剪强度变化规律。试验结果表明,单轴压缩蠕变和三轴蠕变历时曲线都具有非线性的特征,随应力水平的提高,单轴压缩蠕变的应力-应变等时曲线向应力轴靠拢,三轴蠕变的应力-应变等时曲线向应变轴靠拢;线性蠕变变形的情况下黏滞系数主要与时间有关,非线性的情况下与时间和应力水平都相关;在三轴蠕变状态下压缩模量随时间增长而减小,长期强度随时间先降低再趋于稳定;单轴压缩时压缩模量随时间增长而提高,长期强度随时间先增长后稳定。最后经过推导得出了不同应力状态下的长期强度随时间、偏应力的函数关系式。     

IV级软弱围岩相似材料的试验研究

以IV级围岩为参照对象,研制可用于隧道围岩稳定性物理模型试验的软弱围岩相似材料。采用的5种原材料（重晶石粉、石膏、细砂、洗衣液和水）,通过直剪试验、无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验测得所配相似材料的强度特征和物理力学参数,包括黏聚力c、内摩擦角?、单轴抗压强度Rc、弹性模量E和泊松比?。首先,通过试验分析每种原材料的不同比例对所配相似材料强度特征及物理力学参数的影响,选择适合于模拟IV级围岩相似材料的原材料配比;其次,针对优选的材料配比所配制的相似材料,开展大量的三轴压缩试验,研究在不同围压下该相似材料的强度及其破坏特征。结果表明,含水率减少或石膏含量增加导致Rc、E和c明显增大,而?降低不明显;增加砂含量可增大E 和?,但Rc值减少;石膏含量对相似材料的脆性和延性影响最明显,而含水率对相似材料的强度影响最为突出。试验结果还表明,相似材料在低围压时呈现脆性,在高围压时呈延性;就破坏准则而言,试验所得结果小于Mohr-Coulomb准则,略大于Hoek-Brown准则,但更符合Hoek-Brown准则。研制软岩相似材料的试验数据可为下一步拟开展的隧道围岩稳定性模型试验和数值模拟提供重要的参考和依据。     

二叠系炭质页岩软弱夹层剪切蠕变特性研究

以西南灰岩山区二叠系炭质页岩软弱夹层为研究对象,开展了原生软岩、层间剪切带和滑带3个演化阶段的矿物组成成分、微结构和不同正应力水平的剪切蠕变力学特性分析。结果表明：软弱夹层在演化过程中,矿物组分发生改变,黏土矿物含量在原生软岩中小于5%,层间剪切带中在5%～10%之间,滑带中大于10%。微结构由致密变得疏松,颗粒间连接力减弱;软弱夹层的蠕变位移和蠕变速率随着剪应力增加而增大,呈非线性关系。在相同剪应力条件下,蠕变位移和蠕变速率的关系为：滑带>层间剪切带>原岩。长期剪切强度逐渐降低,黏聚力的降幅大于内摩擦角,对时间的敏感程度较高。为受软弱夹层控制的层状基岩滑坡的发育发展过程、失稳机制研究提供了重要借鉴意义。     

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。