绿片岩三轴流变力学特性的研究(Ⅰ):试验结果

为了解锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性，采用岩石全自动流变伺服仪对绿片岩进行了三轴压缩流变试验。基于试验结果，研究了绿片岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律，讨论了流变特性对岩石应力一应变曲线的影响，探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势，分析了不同围压下流变的破裂机制，掌握了绿片岩三轴流变的基本规律，从而为该水电站工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的依据。     

绿片岩三轴流变力学特性的研究(I):试验结果

为了解锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性,采用岩石全自动流变伺服仪对绿片岩进行了三轴压缩流变试验。基于试验结果,研究了绿片岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,讨论了流变特性对岩石应力-应变曲线的影响,探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势,分析了不同围压下流变的破裂机制,掌握了绿片岩三轴流变的基本规律,从而为该水电站工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的依据。     

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。     

角闪斜长片麻岩流变力学特性研究

为了解小湾水电站枢纽区角闪斜长片麻岩的流变力学特性,采用岩石全自动三轴流变伺服仪对角闪斜长片麻岩进行三轴流变力学试验。试验结果表明,强度较高的角闪斜长片麻岩会发生流变现象,尤其在高应力水平条件下,其流变特性明显;外荷载超过岩样的长期强度时,随着时间的逐渐增加试样变形经历典型流变3个阶段,并最终加速流变破裂。依据岩样稳态流变阶段的流变速率与应力水平的关系,提出了一种确定长期强度的方法。在Burgers流变模型中加入统计损伤,并用Mohr-Coulomb准则确定的岩石长期强度作为开始进入非线性加速流变阶段的阀值,得到相应的非线性损伤流变模型。利用岩石全程三轴流变试验结果,采用优化后的算法,对非线性损伤流变模型相应的参数进行了辨识,结果表明,建立的岩石统计损伤非线性流变变模型与流变试验结果吻合较为理想,可以较为准确地反映角闪斜长片麻岩的流变力学特征     

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。     

龙滩水电站泥板岩剪切流变力学特性研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站泥板岩进行了剪切流变试验,分析了泥板岩剪切位移随时间的变化规律,探讨了不同应力状态下剪切流变速率的变化趋势,讨论了岩石剪切强度随时间的变化规律。将非线性流变元件(NRC模型)与西原模型串联起来,建立了新的能够描述加速流变特性的岩石非线性流变模型。采用泥板岩剪切流变试验曲线,对建立的黏弹塑性剪切流变模型进行了辨识,获得了岩石黏弹塑性剪切流变模型的材料参数,流变模型与试验结果的比较显示所建模型的正确性与合理性。     

加锚岩体流变特性及锚固控制机制分析

通过室内蠕变试验和理论分析,对加锚改善岩石流变力学特性进行了研究,并探讨了锚固控制岩石流变的力学机制。采用RLJW-2000型流变试验机,对红砂岩及其加锚试件进行分级加载（100 h以上）单轴压缩试验,结果表明,加锚后岩石的流变应力阀值提高了20%～30%? c,且不同应力水平流变量均能得到一定控制,加锚使试件的长期强度增加了5%～10%? c。此外,基于整体协调变形原理,建立了加锚体流变本构方程,推导出了一维B-K模型解答,算例分析表明,锚杆密度越大,对岩石流变控制效果越好,得出锚杆等效刚度是约束岩石流变的主导因素,但从技术经济角度考虑,锚杆支护密度与岩石流变参数之间存在一个合理的匹配区间。研究结果对长期使用的岩体工程锚固支护设计提供了理论依据。     

基于断裂及高温损伤的岩石蠕变模型研究

为了反映热-力耦合作用下岩石蠕变变形的全过程,依据断裂力学原理提出了岩石裂纹扩展的临界损伤应力和一个新的可描述岩石在稳态蠕变阶段与临界损伤应力相关的非线性黏性分量,在传统西原模型和Burgers模型的基础上,将指数形式的损伤变量、临界损伤应力以及与其有关的非线性黏性分量引入到流变微分方程,通过叠加原理推导了考虑温度效应的单轴和三轴压缩条件下岩石的流变本构关系,建立了岩石的热-力耦合损伤蠕变本构模型。利用不同温度、不同应力条件下花岗岩的三轴蠕变试验曲线和本文蠕变模型的计算曲线进行比较,结果表明本文蠕变模型能够较好地模拟岩石在初始瞬态、稳态和加速蠕变阶段全过程的变形规律,验证了所建模型的有效性和合理性。该模型为分析高温、高应力环境下岩石工程的长期变形和稳定情况提供了理论依据。     

深埋长大隧洞围岩非线性蠕变模型研究

针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞（埋深为2 525 m,长为19 km,宽为13 m）围岩在开挖过程中呈现明显的流变劣化特征,采用CSS-283双向万能伺服试验机,对洞室围岩（软弱板岩）进行单轴压缩蠕变试验和剪切蠕变试验,引入流变参数是时间函数与强化函数,建立岩石非定常参数剪切蠕变模型和单轴压缩蠕变模型,并推广到三轴非线性流变模型,与试验结果对比基本吻合。最后,结合锦屏二级水电站深埋长大隧洞进行数值计算,得到该隧洞190 d开挖运行变形规律,以期为工程建设提供理论指导。     

湖相软土流变模型识别及其工程应用分析

对苏州湖相软土进行了三轴流变试验,根据试验结果拟采用S-6、K-B、K-S 3个流变模型来描述土体的流变特征,在模型参数反演中发现,S-6模型对加载初期变形的拟合精度不够,K-B模型对加载中期变形的拟合精度不够,而K-S模型能够很好地描述苏州湖相软土的流变特征。在模型的实际应用中引入应力比的概念,发现应力比与模型参数成指数关系,以此可以根据不同的工程应力条件来选择模型参数,最后,将该模型用于实际工程的沉降计算,通过与实测数据的对比显示模型的拟合精度较高,可以用于指导该地区的工程建设。     

砂质泥岩三轴卸荷流变力学特性试验研究

流变对工程岩体的长期变形稳定具有十分重要的影响,但目前关于卸荷流变的试验研究中通常只考虑恒轴压卸围压的应力路径,与隧洞开挖过程中围岩的应力调整过程存在一定的差距。以砂质泥岩为试验研究对象,设计进行了加轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下的分级卸荷流变试验。试验结果表明：恒轴压卸围压和加轴压卸围压方案下岩样的流变变形趋势总体一致,但相同初始围压条件下,加轴压卸围压试样破坏的围压相对较高,偏应力相对较大,但长期强度与破坏应力的比值相对较小;在围压卸载至岩样临近破坏时,加轴压卸围压方案下岩样的流变应变增长速率明显较快,试样破坏的更加突然;恒轴压卸围压条件下岩样的破坏形态相对简单,一般只存在一条完整的剪切破坏面,而加轴压卸围压条件下岩样的破坏形态要复杂得多,除了控制性的剪切破坏面之外,还伴随有一定数量的次生剪裂纹和张拉裂纹,而且初始围压越大,试样的次生裂纹越多。因此,在隧洞围岩长期变形稳定分析过程中,单纯的恒轴压卸围压流变试验不能满足工程实际需求,应该尽量丰富岩石力学试验的应力路径,以便较好地模拟工程岩体应力的实际变化过程,研究成果为隧洞围岩的长期变形稳定性研究提供了较好的研究思路。     

岩体结构面剪切流变试验及模型参数反演分析

针对锦屏二级水电站地下洞室群围岩富含节理的实际情况,采用弱面直剪流变仪对组成隧洞围岩的主要岩样（板岩、大理岩）进行了含软弱夹层岩石的剪切流变试验,得出岩石夹层的剪应力-剪切位移时程曲线。通过对岩石夹层试验结果的分析,得出了岩石的长期强度参数,与快剪试验获得抗剪强度参数相比较发现长期抗剪强度参数有所降低,且凝聚力对剪切流变特性的影响略高于内摩擦系数。最后通过对6种模型的拟合分析,得出了适合岩石夹层的标准线性体流变模型,在此基础上通过反演分析得到了岩石夹层标准线性体黏弹-塑性剪切流变模型,并反演了该模型的参数。     

盐岩流变损伤特性及本构模型研究

借助盐岩单轴流变-声发射试验,分析了流变3个特征阶段与声发射事件数的对应关系,并基于Weibull分布构建了声发射事件数随加载时间的关系式,进而获得了损伤变量的演化关系式。对盐岩流变-声发射试验及流变-超声波试验数据拟合分析表明,该损伤变量表达式具有很好的适用性。进一步对损伤表达式中的参数进行了敏感性分析,揭示了形状参数、尺度参数对损伤值的影响规律。引入分数阶微积分理论及损伤理论,构建了基于损伤的Abel黏壶本构关系,通过替代西原模型中Newton黏壶的方法,求解获得了盐岩分数阶流变本构模型。由盐岩单轴流变试验曲线拟合分析可知,分数阶流变模型能很好地描述盐岩流变的3个特征阶段,尤其是加速流变阶段,且验证了西原模型为分数阶流变模型的一种特殊形式。     

软岩三轴卸荷流变力学特性及本构模型研究

以典型软岩－泥质粉砂岩为研究对象,进行了不同应力水平下的恒轴压、分级卸围压室内流变试验。试验结果表明,软岩在卸荷条件下的轴向及侧向流变变形较大,各向异性显著。在恒定围压较高时,轴向流变变形较大,而随着围压逐级降低,侧向流变变形发展较轴向更快,试样在破裂围压下的侧向变形远大于轴向。通过深入分析软岩卸荷流变试验成果可知,线性Burgers流变模型能较好地反映各级围压下流变曲线的衰减流变及稳态流变阶段,但对于破裂围压下的非线性加速流变阶段无法描述。基于上述分析,建立一个非线性损伤流变模型,采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对试验结果进行拟合,并获得软岩的非线性流变参数。经比较,拟合计算与试验曲线吻合程度很高,说明该流变模型能较好地反映软岩卸荷流变各阶段的曲线特征。     

粒度对韧性剪切带岩石变形的影响

构造模拟研究表明, (1) 粒度是控制岩石流变性质的重要因素之一, 粒度越粗, 岩石粘度越高; (2) 粒状矿物含量与基质的比值越低, 粒度对岩石流变性质的影响就越小, 反之则越大; (3) 岩石的粒度差异对韧性剪切带的发育程度有着重要影响, 粒度越细, 韧性剪切带中有限应变越大.这些结果与野外所观察的地质现象及应变测量结果完全一致.      

四川某水库大坝左坝肩边坡变形破坏机制及整治对策探讨

以现场考察和变形监测资料为依据,探讨一个下部有软弱基底,上部为硬脆性坡体的“二元结构”边坡的变形破坏问题,揭示这类边坡的变形总是以下部软弱岩体的不均匀压缩流变为先导,进而引起上部硬脆性坡体的拉裂与倾倒,最终通过渗入水的作用,使下部承载状况已进一步恶化了的软弱岩体,沿剪应力集中带发生剪切破坏而导致整个变形坡体的下滑。     

软弱岩体流变特性及长期强度测定法

所有岩体,特别是软弱岩体,在一定载荷的长期作用下,都具有变形随时间增长而影响其强度的流变特性.这一点,早被许多学者的研究结果及岩体工程实践所证实. 众所周知,断层破碎带、软弱夹层以及被松软物质充填的各种结构面(以下统称弱层)的流变性质更为显著.弱层是许多工程基岩或围岩经常碰到的.因此,对弱层流变特性及其对强度的时间效应的研究,从理论和实践上都有重要的意义.     

THE RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF THE WEAK ROCK MASS AND THE METHOD OF DETERMINING LONG-TERM STRENGTH

Based on the in-situ uniaxial compression rheological tests on the weak intercalations and on the fault fragmentation zone ,time-effect on deformation and failure mechanism of the weak rock mass is investigted. The method of determining long-term strength of weak intercalations , empirical formula and influencing range of the time-effect on the various tests are made and the met of determining different stages of rheological process and long-term strength are discussed in detail .     

岩石蠕变变形的混沌特性研究

对岩石蠕变变形分别进行了流变模型法和试验法的混沌特性研究,分析了其混沌行为的演化过程、进入混沌的通道以及混沌发生的条件,讨论了两种方法的现场工程应用问题以及相关参数的理论和实践意义。研究表明,岩石蠕变变形的发展过程是一种从有序－混沌（无序）－有序的过程。最后,根据岩石蠕变变形的孕育过程具有混沌特征的这一特性,提出控制岩石蠕变系统的应力水平是避免其混沌发生的主要途径。