热−水−力耦合条件下黏土岩蠕变特性研究

黏土岩作为放射性核废料处置的备选介质,长期处于热-水-力耦合的复杂条件下。为研究围岩的长期稳定性,开展了一系列不同围压和偏应力下的黏土岩加温-降温排水蠕变试验。得出以下结论：温度的升高会提升黏土岩的蠕变速率,延长衰减蠕变阶段的时间,但是降温过程中试样主要以冷缩变形为主,并未见明显的蠕变变形;围压的降低以及偏应力的增加会提高黏土岩的蠕变速率,并且这种影响会随温度的升高明显加剧。基于试验结果,在Perzyna过应力理论的基础上引入蠕变硬化、蠕变损伤以及热损伤,建立了黏土岩热-水-力耦合蠕变模型。通过ABAQUS软件及其子程序对该模型进行数值实现,模拟结果与试验结果的对比初步表明该模型可以很好地描述热-水-力耦合条件下黏土岩的蠕变特性。     

黏土岩温度-渗流-应力耦合特性试验与本构模型研究进展

高放废物处置库、垃圾填埋场等工程中常常涉及到温度场（T）、渗流场（H）和应力场（M）的耦合作用的问题。从试验和理论模型两个角度综述国内外黏土岩温度-渗流-应力耦合特性的研究进展,主要包括其传热特性、温度影响下的渗流特性、变形、强度、蠕变特性。在此基础上,重点分析了黏土岩水-热迁移模型以及热-力耦合本构模型的适应性。基于上述认识,通过试验研究了比利时Boom clay在温度作用下的强度、渗透性、蠕变性等特征。结果表明：随着温度升高,Boom clay的强度有所降低,渗透性显著增强,蠕变速率明显加快。提出了适用于Boom clay的THM耦合弹塑性损伤模型,计算结果验证了模型能合理反映温度的影响。最后,探讨了黏土岩THM耦合机理研究的不足和今后的研究方向。     

黏土岩水力耦合特性试验研究

对于高放废物地质处置工程,地质屏障系统是放射性有害物质进入环境的最后一道屏障,也是一条重要防线。黏土岩由于其低渗透性、渗透损伤自修复以及较强的吸附能力等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。结合比利时正开展的黏土岩高放废物地质处置相关研究课题,通过一系列室内试验研究黏土岩的水力耦合机制及长期蠕变特性。三轴压缩试验表明,黏土岩压缩强度、超孔隙水压力与围压正相关。渗透试验表明,黏土岩渗透性呈现显著的各向异性特征,围压增大使黏土岩渗透性显著降低。蠕变试验表明,黏土岩蠕变变形、蠕变变形速率与载荷密切相关,即：载荷越大,黏土岩蠕变变形越显著,蠕变变形速率达到稳定所需的时间越长,且相应的稳态蠕变速率越大;根据应力阈值和等时曲线法初步确定该黏土岩长期强度在1.0～1.2 MPa。研究结果将为我国未来黏土岩高放废物处置库的选址和安全性评估提供重要科学依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

温度-渗流-应力耦合作用下岩石损伤及声发射特征研究

深部地下围岩常常处于复杂的地质环境下,这些复杂的地质环境造就了岩石多变的物理力学行为,本文对取自某矿井的黏土岩开展温度-渗流-应力耦合特性及声发射试验研究,对黏土岩在不同地质环境下的变形特征、渗透特性、损伤及声发射演化特征进行分析。研究结果表明:温度和围压对试件的变形具有明显的损伤劣化和抑制作用,温度越高,围压越大,试件逐渐由脆性断裂向脆延性破坏转变;渗透率的变化对应于岩石体积变化出现降低-平衡-上升-回落四个阶段,体变和环向应变突变点为渗透性加速增大分界点;高围压和温度作用下,岩石的声发射呈高能高幅值特征,渐变特征不明显,最活跃值越滞后,低温和低围压下,声发射具有明显的渐变特征,最大值出现在峰值附近;同等围压下,渗透损伤值随温度的升高而增加,围压越大,渗透损伤值越小,温度越高围压越大,损伤发展越均匀。     

考虑温度损伤的盐岩蠕变本构关系研究

根据统计力学原理,以分形岩石力学为桥梁,对盐岩在温度与应力耦合作用下蠕变特性进行了研究,导出了考虑围压效应的损伤变量表达式。综合前人的成果,推导出温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。对盐岩在温度与三轴应力共同作用下的蠕变试验数据进行研究,分析了盐岩蠕变过程中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的各自特征。对于广义Bingham 蠕变模型在衰减和稳态蠕变阶段引入一非线性函数,在加速蠕变阶段引入损伤,建立了盐岩考虑温度损伤的蠕变本构关系。利用盐岩的三轴蠕变试验数据对新的蠕变损伤模型参数进行辩识与比较分析。结果表明,该模型能够很好地反映在不同温度作用下盐岩的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的规律,验证了该模型的合理性和正确性。     

红黏土固结-蠕变特性及其耦合模型

红黏土的蠕变特性直接影响到红土边坡的长期稳定性。为了深入研究红黏土的蠕变特性,设计改制了一套基于杠杆加载原理的三轴蠕变试验装置。采用分级加载,对红黏土试样进行室内排水三轴蠕变试验,获得了不同偏应力水平下的蠕变全过程曲线,采用"陈氏加载法"将分级加载曲线转化成分别加载曲线,并利用等时曲线法得出红黏土蠕变破坏阈值。将固结理论与Kelvin蠕变模型相结合以描述红黏土在偏应力作用下的固结-蠕变特性,然后利用一部分偏应力水平下的蠕变试验结果进行回归建模以确定各模型参数,并以此建立出考虑固结-蠕变耦合作用的红黏土元件蠕变模型,最后采用所建蠕变模型对另一部分蠕变试验结果进行预测,结果表明:本文模型无论是拟合还是预测的精准度都很高。     

深部人工冻结黏土三轴蠕变试验研究

通过将试样等向固结再冻结, 然后保持轴压不变进行径向卸载的实验方法, 获得深部冻结黏土在复杂应力状态下的蠕变变形规律. 对冻黏土进行了大量的三轴蠕变试验, 得到了在冻结温度不同和固结围压不同条件下的蠕变试验结果. 结果表明: 在较低的偏应力水平下, 试样只发生前两个阶段的蠕变变形, 且蠕变变形量超过总变形量的70%; 当试样偏应力值高于某一临界值时会出现加速蠕变阶段, 蠕变变形量超过总变形量的80%. 可以用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则来描述加速蠕变阶段的临界应力.     

分散性土蠕变特性试验研究

采用三轴蠕变仪对宁木特水利枢纽工程黏土心墙的分散性土进行三轴固结排水试验,研究分散性土在不同初始条件下的蠕变变形规律,并获取蠕变模型及蠕变参数。试验结果表明,分散性土具有明显的非线性蠕变特征,蠕变过程可以分为瞬时弹塑性变形、衰减蠕变变形和稳定蠕变变形3个阶段;含水率、围压和偏应力水平对分散性土蠕变速率和蠕变量有显著的影响;应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征。采用Singh-Mitchell蠕变模型和Mesri蠕变模型描述分散性土的蠕变特性,与试验数据对比表明,Mesri蠕变模型能够比较准确而方便地描述分散性土的蠕变特性,且模型具有参数少、适用性较强的特点。     

热-水-力耦合作用下非饱和土变形特性的弹塑性模拟

在已有的非饱和土水-力耦合模型基础上,耦合考虑温度影响,建立了一个热-水-力耦合作用下非饱和土弹塑性本构模型。该模型以土骨架平均应力、修正吸力和温度为应力状态变量,以土骨架应变、饱和度和熵为应变状态变量。通过引入与温度相关的屈服面(LY、TY)以及相应的硬化规律来考虑温度对土体变形的影响。利用建立的模型,对文献中不同吸力和温度条件下的等向压缩和三轴排水剪切试验进行预测,预测结果表明,该模型能够较好地定量描述热-水-力耦合作用下非饱和土的变形特性。     

川东气田盐岩、膏盐岩蠕变特性试验研究

对川东气田盐岩、膏盐岩进行了矿物组分测定,采用TAW-1000深水孔隙压力伺服试验系统进行了蠕变试验,分析了固有的矿物组分及偏应力、温度、围压对蠕变的影响,结合蠕变曲线和岩石参数,提出了稳态蠕变速率本构方程。研究表明：川东气田盐岩、膏盐岩矿物组分以NaCl、CaSO4为主,其中NaCl含量最高可达93%以上;岩石固有的矿物组分是影响岩石蠕变特性的内因,随NaCl含量增加,瞬态蠕变、稳态蠕变速率相应增大;随偏应力、温度的增加稳态蠕变速率增大,围压对其影响不大;通过试验数据拟合得出赫德（Heard）蠕变本构方程中的参数,求出不同偏应力、温度下盐岩、膏盐岩的稳态蠕变速率,为川东气田盐岩、膏盐岩地层安全钻进泥浆密度窗口计算和套管非正常变形分析提供了理论依据。     

白垩系饱和冻结砂岩蠕变试验及本构模型研究

冻结法作为穿越富水软岩地层的重要施工方法,冻结壁的长期稳定性对于工程安全有着至关重要的作用。蠕变破坏是诱发冻结壁变形的显著特点之一,对研究冻结岩石蠕变的特性有重要的理论和工程意义。以白垩系饱和冻结砂岩为研究对象,开展–10 ℃低温冻结条件下,不同围压（0、2、4、6 MPa）的三轴蠕变力学试验。分析了饱和冻结砂岩蠕变变形,根据现有黏弹塑性模型开展了参数辨识并探究蠕变参数的变化规律,基于此提出考虑温度及损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明：低温冻结削弱蠕变过程中颗粒间的相互胶结力,使其蠕变特征明显;而围压却在一定程度上抑制饱和冻结砂岩内部损伤的发展,导致稳态蠕变速率随围压的升高出现明显的下降趋势。随围压的增加饱和冻结砂岩的蠕变破坏形态呈现出从剪切破坏到张拉破坏再到局部塑形硬化破坏的变化过程。在黏弹塑性模型的基础上,总结蠕变参数 、 和 随荷载的增加呈现先增后减的趋势,拐点为屈服应力;而参数 在大于屈服应力后出现并呈现先增后减的趋势。结合冻结岩石蠕变数据对定义的应力-低温耦合蠕变本构模型进行了参数辨识,并将该模型的计算结果与蠕变试验数据对比,验证所建立非线性模型的正确性与合理性。     

竖井地基热排水固结模型试验及有限元模拟

设计竖井地基热排水固结模型试验系统,选取宁波软黏土在水热循环温度70℃下开展热排水固结模型试验,分析了无堆载加热、分级堆载、恒载降温阶段各测点的温度、孔隙水压力及地表沉降变化规律,并以试验为原型,利用COMSOL软件建立热排水固结耦合模型,进行了有限元模拟分析。结果表明:模拟结果与试验结果可以相互验证;无堆载加热阶段,土体孔隙水压力先增大后消散,地表沉降先隆起后下沉,地基发生固结压缩;分级堆载阶段,耦合模型地基固结速率较退化模型快,地基平均固结度到达90%时,耦合模型所用时间较退化模型显著减少;恒载降温阶段,降温能使残余孔压快速消散,土体有效应力增加,土体沉降继续增大,地基进一步固结压缩。     

吸力式沉箱基础底部土体卸荷蠕变及其长期抗拔承载特性研究

饱和软黏土地基中吸力式沉箱基础在上拔过程中其底部土体为轴向卸荷状态,目前对软黏土卸荷蠕变以及吸力式沉箱长期抗拔承载特性研究较少。因此,进行了不同围压下软黏土三轴固结不排水卸荷蠕变试验以及吸力式沉箱基础长期抗拔试验,分析了沉箱底部土体卸荷蠕变特性以及吸力式沉箱基础长期抗拔承载特性。卸荷蠕变试验结果表明：在偏应力较低的情况下,土体卸荷蠕变变形可忽略不计,土样变形主要为瞬时变形。随着轴向卸荷应力增大,软黏土蠕变变形越大且非线性蠕变特性愈加明显。根据卸荷蠕变试验结果,提出与应力水平相关的蠕变模型,揭示了模型中3个参数在相同围压下随应力水平的增大而近似呈线性减小的变化规律。然后将该模型从一维扩展至三维,并开发UMAT子程序,通过有限元验证该模型的合理性。同时将该模型用于吸力式沉箱基础抗拔承载力分析中,并与吸力式沉箱模型长期抗拔试验结果进行了对比验证。     

白垩系饱和冻结砂岩蠕变试验及本构模型研究

冻结法作为穿越富水软岩地层的重要施工方法,冻结壁的长期稳定性对于工程安全有着至关重要的作用。蠕变破坏是诱发冻结壁变形的显著特点之一,研究冻结岩石蠕变的特性有重要的理论和工程意义。以白垩系饱和冻结砂岩为研究对象,开展–10 ℃低温冻结条件下,不同围压（0 MPa、2 MPa、4 MPa和6 MPa）的三轴蠕变力学试验。分析了饱和冻结砂岩蠕变变形,根据现有黏弹塑性模型开展了参数辨识并探究蠕变参数的变化规律,基于此提出考虑温度及损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明：低温冻结削弱蠕变过程中颗粒间的相互胶结力,使其蠕变特征明显;而围压却在一定程度上抑制饱和冻结砂岩内部损伤的发展,导致稳态蠕变速率随围压的升高出现明显的下降趋势。随围压的增加饱和冻结砂岩的蠕变破坏形态呈现出从剪切破坏到张拉破坏再到局部塑形硬化破坏的变化过程。在黏弹塑性模型的基础上,总结蠕变参数E_(1)、E_(2)和η_(2)随荷载的增加呈现先增后减的趋势,拐点为屈服应力;而参数η_(0)在大于屈服应力后出现并呈现先增后减的趋势。结合冻结岩石蠕变数据对定义的应力-低温耦合蠕变本构模型进行了参数辨识,并将该模型的计算结果与蠕变实验数据对比,验证所建立非线性模型的正确性与合理性。     

多级升温及降温引起的饱和红黏土的热响应试验研究

对温度和围压耦合作用下饱和红黏土的热力学特性进行多级升温及降温过程的室内试验研究。试验包括每级温度变化之间允许试样排水和不允许试样排水两组对比试验,温度变化等级为20℃→40℃→50℃→60℃→70℃→80℃→70℃→60℃…→20℃,围压包括50、100、150、200 k Pa共4种。分析了试样热固结过程中温度、孔隙水压力、固结体应变的演变过程以及热力学特征变化机制。研究表明,在多级升温级间排水以及后续逐级降温过程中,温度诱致孔隙水压力消散引起的固结排水量大于温度再降低至初始温度下的吸水量,最终表现为不可逆的体积收缩变形。另一方面,在多级升温级间不排水以及逐级降温条件下,温度升高后的孔隙水压力甚至可达到围压值,然后降至初始环境温度下时试样内仍保持较大的孔隙水压力,也表现为不可逆的热力学过程。     

考虑温度影响的改进西原流变模型及一维固结解

随着我国热能源开发,热力管道工程大规模应用,由此带来的岩土体应力、变形、渗流和温度耦合作用问题已经成为岩土工程领域的研究热点。在长期荷载作用下,岩土体的变形和强度随时间而变化,尤其是软土,具有明显的流变特征。传统的各流变模型并未考虑升温方式和温度对其各参数的影响。为了能更好地反映流变固结特性,考虑软黏土的黏弹塑性,在西原模型基础上,引入温度膨胀系数,建立了热力耦合作用下的改进西原模型,给出了其应力-应变关系,并利用Laplace变换和逆变换求解了一维热固结方程,得到了其解析解。计算结果表明:固结压力一定时,温度升高加快土体固结;温度一定时,土体中孔压随固结压力增大而减小;改进西原模型的弹性模量越大,孔压消散速率越大,土体固结越快;土颗粒受温度影响而产生的热膨胀对于孔压消散的作用非常小;黏滞系数越小,孔压消散更快,土体固结越快;试验结果与考虑土体的黏弹塑性的热力耦合改进西原模型计算结果吻合,改进西原模型可以较好地描述土体的热力耦合特性。