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。     

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。     

考虑温度效应的片麻状花岗岩三轴蠕变试验研究

随着地下洞室开挖深度的增加,温度已成为影响洞室长期稳定的重要因素。为有效反映温度对深埋地下洞室围岩长期稳定的影响,依托某水电站引水隧洞工程,开展了不同温度和不同加载应力路径条件下片麻状花岗岩的三轴蠕变试验,系统分析了温度、围压、轴压对片麻状花岗岩蠕变变形特征、蠕变强度和蠕变破坏模式的影响。通过蠕变试验发现:片麻状花岗岩的蠕变性能随着加载应力的增大和温度的升高而呈指数变化;片麻状花岗岩存在蠕变应力阈值,且温度越高,蠕变应力阈值越低,蠕变破坏时间越短;片麻状花岗岩稳态蠕变速率随温度的升高而增大,符合指数关系,其蠕变长期强度和蠕变破坏强度均随温度的升高而降低;在温度效应条件下,片麻状花岗岩蠕变破坏模式主要为沿斜截面的剪切破坏。试验研究成果为水电站引水隧洞围岩长期稳定性分析与设计、施工提供了重要的试验依据。     

石英砂岩力学特性及各向异性试验研究

为研究不同应力条件下层理对高孔隙率岩石材料破坏模式、弹性模量以及强度的影响,针对各向异性的石英砂岩,采用静水预压缩–增大轴向应力的加载方式,进行了多组带有不同层理角度试样的三轴试验。试验结果表明,不同应力条件下各向异性的石英砂岩试样表现出不同的变形破坏特征,以30 MPa围压为界,低围压范围内破坏模式为剪切型破坏,在该范围内随着围压增大破坏面由倾斜转向水平,并受到试样层理角度不同程度的影响,高围压范围内受到层理的影响分为剪切屈服和体积屈服两种破坏模式;随着围压的增大,新闭合的孔隙裂纹数目减少,各向异性对弹性模量的影响呈现降低趋势,弹性模量增长速率降低,弹性模量在层理分布角度?=60°时都会出现下降的现象;不同层理分布试样的强度曲线呈U型,围压在0~20 MPa范围内试样?=30°强度最低,围压在30~60 MPa范围内强度最低试样转化到?=45°附近;不同层理角度石英砂岩的强度特征系数随着围压的增大而逐渐减小,围压大于30 MPa后该系数逐渐趋于稳定。     

石膏矿岩三轴压缩蠕变特性试验研究

石膏矿开采多采用房柱法,其蠕变特性对采空区稳定性有重要影响。以荆花石膏矿为背景,利用RC-2000微机控制岩石三轴蠕变试验机,结合具体工程情况,对荆花石膏矿岩进行围压分别为0、2.5、5.0、7.5 MPa的蠕变试验。分析了所得的蠕变试验数据,选取合适的模型对试验曲线进行拟合,利用等时应力-应变曲线簇法求得在不同围压下的长期强度。分析可知,荆花石膏矿蠕变包含衰减蠕变和等速蠕变2个阶段,轴向应力较小时只出现衰减蠕变,轴向应变增大到一定程度时将出现衰减蠕变和等速蠕变2个阶段。选择西原模型对试验曲线进行拟合结果表明,西原模型能较好地描述石膏矿的蠕变力学特性,拟合相关系数R均大于0.9;在不同围压情况下长期强度与蠕变强度的比值为0.89～0.95,即围压对长期强度的影响不大。研究结论能为石膏矿采空区的稳定性分析提供依据。     

卸围压下砂岩力学特性及细观机制颗粒流分析

鉴于试验砂岩内摩擦角较大及峰后脆性强的特点,选用颗粒流程序PFC2D中的cluster单元进行模拟,在常规三轴压缩试验校正的基础上得到一组能够真实反映砂岩宏观力学行为的细观参数,模拟了砂岩两种卸围压路径,结果表明其峰值强度随初始轴向应力的增大而不断增大,其规律与试验相同。选取了两种卸围压路径微裂纹数目随应力-应变的演化趋势进行分析,结果表明卸围压对试样造成的损伤较加轴压大,同时初始轴向应力增大一定程度上增加了试样承受破坏的能力。通过对不同应力路径裂纹两侧位移场的分析可知卸围压会造成颗粒在横向产生位移不连续,导致试样破坏。     

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。     

修正应变能密度因子准则及岩石裂纹扩展研究

由应变能密度因子理论得出裂纹沿着形状改变比能密度因子最小的方向扩展,但理论中所使用的应力强度因子是在拉应力作用下计算得出的,而自然界中的岩体通常处于压应力场中。因此,在修正的应变能密度因子理论的基础上,结合压缩荷载作用下的裂纹尖端应力强度因子,并考虑裂纹面之间的摩擦作用得出了针对压缩荷载作用下的岩石裂纹扩展的应变能密度因子理论,并运用该理论分析了裂纹倾角、围压以及裂面摩擦力对破裂角的影响,将分析结果与已有的试验和数值分析结果进行比较,取得了良好的一致性。分析得出,在单轴压缩荷载作用下临界破裂荷载随着裂纹倾角的增大而先减小、后增大,并且一个裂纹倾角对应多个破裂角,即裂纹朝多个方向发展;在三轴压缩荷载作用下,破裂角与围压大小有关。此研究成果可为压应力场中岩石裂纹扩展的数值模拟提供参考。     

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。     

泥岩蠕变行为的实验研究及其描述

利用自行研制的岩石三轴蠕变仪,对泥岩进行了系统的三轴蠕变试验。试验中考虑了轴压σ1和围压σ3对蠕变的影响。结果表明,当围压σ3一定时,轴向应力σ1增加,蠕变加快,在稳态蠕变阶段的应变率增大,试件的寿命缩短。而当应力差?σ=σ1–σ3保持不变时,围压σ3增加,蠕变减慢,稳态蠕变阶段的应变率也减小,试件的寿命增加。利用非经典粘塑性损伤本构模型对试验现象进行了分析,得到了较为满意的结果。     

冻融循环条件下片麻岩蠕变特性试验研究

为探讨寒冷地区隧道围岩的长期稳定性,选取吉林省辉白隧道中的片麻岩进行冻融循环条件下的三轴蠕变试验,分析了冻融循环作用对片麻岩蠕变特性的影响机制。试验结果表明：随着冻融次数的增加,片麻岩的蠕变变形量逐渐增加,而蠕变破坏应力、蠕变时长、长期强度均有明显降低的趋势。同时冻融循环温度的幅度对片麻岩的各蠕变参数也有一定影响,表现为冻融循环次数相同时,温度越低,岩样的初始瞬时蠕变越大,而蠕变时长与长期强度越小。同时基于试验结果,利用1stOpt优化软件对Burgers模型参数进行辨识,可得模型理论曲线与试验曲线在蠕变减速段和稳定段吻合较好。最后通过SEM扫描和能谱EDS分析了冻融循环对片麻岩微细观结构的影响机制。岩样在长期荷载作用下的破坏模式均为剪切破坏,随着冻融次数的增加,岩石的破裂程度越来越严重、破坏块度越来越小。研究结果为寒区岩石工程的支护设计和防冻害设计提供了参考和依据。     

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。     

红层砂岩高温后效蠕变试验研究

温度是影响岩石变形、稳定的重要因素。通过对红层砂岩开展高温后的蠕变试验,揭示了温度对红层砂岩蠕变特性的影响规律,并基于Burgers模型建立考虑温度效应的蠕变损伤模型,分析了温度对模型参数的影响规律。研究表明:510~550 ℃是红层砂岩力学性质转变的节点温度区间,低于该温度区间时,温度升高,试样的峰值强度增加,延性增强,长期强度减小;高于该温度区间时,温度升高,试样的峰值强度、峰值应变减小,长期强度增加;瞬时应变随温度的升高而线性增大。相同应力条件下,随着经历温度的升高,试样瞬时应变、稳态蠕变速率以及进入稳定蠕变阶段的时间增加,进入加速蠕变阶段的时间减小,加速蠕变曲线变陡。     

考虑含水率的红层泥岩蠕变特性及改进伯格斯模型

为揭示西南地区广泛分布的红层泥岩在不同含水条件下的蠕变特性,采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机进行三轴压缩蠕变试验。试验结果表明,（1）随着含水率的升高和轴向荷载的提升,蠕应变量与瞬时应变量的比值整体上都呈增大趋势,比值范围为0.117～0.985,平均比值维持在0.348～0.480之间;（2）红层泥岩的初始、稳态和极限加速蠕变速率都随含水率的升高而增大;（3）红层泥岩的长期强度随含水率的上升而降低,量化比较发现红层泥岩的非线性蠕变程度随含水率的上升而越得到体现。研究了红层泥岩蠕变的非线性特征,提出一个黏弹性模量 ,并引入一个非线性黏塑性体,建立一个新的改进后的伯格斯（Burgers）模型。基于BFGS算法和通用全局优化法对蠕变试验曲线进行辨识,确定模型参数,并进行模型可靠性分析,验证了所建模型的正确性和合理性。     

隧道衬砌结构三轴压缩蠕变特性试验研究

使用MTS-815液压伺服系统对隧道衬砌的混凝土试件进行了三轴压缩蠕变试验,当压缩蠕变强度达到混凝土试件抗压强度的85%时进入加速蠕变阶段。分析了隧道衬砌混凝土三轴压缩蠕变变形的特点,确定采用摩尔-库仑准则和Burgers模型串联组合而成的黏弹塑性模型可以合理地描述衬砌混凝土的蠕变特性。组合模型的黏弹性状态与Burgers模型一致,塑性状态与Mohr-Coulomb模型一致,它不仅能够反映衬砌结构蠕变的全过程,且能模拟材料的黏弹塑性变形特性,解决了典型Burgers蠕变模型只能描述黏弹性蠕变的缺陷。同时也研究了三轴试验条件下组合蠕变模型参数的求解方法,得到隧道衬砌混凝土的蠕变参数。     

典型黄土滑坡滑带土不同含水率下蠕变特性试验研究

黄土斜坡在受到降雨、人工灌溉、河流水浸润等作用后容易发生蠕变,最终发生滑坡,有时甚至会造成灾难性事故。以往研究中对不同含水率下黄土滑坡滑带土的蠕变性质研究较少,更缺乏定量化的规律分析。以榆林市色草湾村黄土滑坡滑带土为例,进行了一系列三轴蠕变试验,得到了黄土不同含水率下（w=10%、12%、14%、16%、18%,w表示...     

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。     

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。