土体流变破坏时间的灰色预测模型

根据不同载荷条件下土体蠕变破坏的时间数据列,建立了土体流变破坏时间的灰色预测模型。该模型能根据土体在较高应力条件下的蠕变破坏时间预测其在较低应力水平条件下的蠕变破坏时间,可用于边坡破坏预测、岩土工程、岩土力学试验等领域。     

基于全应力-应变曲线的软岩蠕变寿命估计

软岩的蠕变寿命是岩石流变学研究的重要内容之一,是影响岩土工程长期稳定的重要因素。根据Goodman原理,蠕变破坏点位于全应力-应变曲线的下降段（破坏段）上。当等时应力-应变曲线簇用分离变量函数表达时,证明了对于给定应变 处的等时应力-应变曲线的切线模量比和割线模量比随时间的变化规律相同。将破坏段曲线简化为直线,等时应力-应变曲线与破坏段的交点（蠕变破坏点）近似等于等时应力-应变曲线上某点 的切线与下降段直线的交点,进而推导出了该交点的蠕变寿命的表达式。 越接近峰值应变,误差越小。这样,可由短时蠕变曲线簇变换到等时应力-应变曲线簇,通过拟合方法求出给定应变 下模量比随时间变化的表达式;再由全应力-应变曲线求出峰值应力与应变、给定应变 下的应力与切线模量、下降段直线斜率等参数;即可得到软岩的蠕变寿命和长期强度。利用本文方法,对某泥岩的蠕变寿命进行了求解,得到了蠕变寿命随应力水平变化的表达式和长期强度值,理论结果与试验结果较吻合。     

高地应力围岩分区碎裂化的时间效应分析和相关参数研究

本文阐述了高地应力围岩分区碎裂化现象的形成需要经过一定的时间,但这段时间不会很长;采用蠕变理论对岩石分区碎裂化的时间效应进行了分析;推导了能够描述加速蠕变阶段的流变模型-改进的西原模型的本构方程和蠕变方程,在此基础上求出了岩石分区碎裂化发生时破裂带半径(破碎带距巷道中心的距离)的公式。      

考虑排水条件的软土蠕变特性及模型研究

为了研究珠江三角洲软土在不同的排水条件和应力水平下的蠕变特性,进行了一系列室内三轴排水及不排水蠕变试验。试验结果表明,在排水情况下软土的瞬时变形大,而蠕变变形小,而在不排水情况下蠕变随时间的发展更为显著。在工程中可以提高软土地基的排水性能,来减小蠕变破坏的可能性。引入Singh-Mitchell蠕变方程,建立了珠江三角洲软土排水和不排水的Singh-Mitchell蠕变模型,其中应力-应变关系采用指数函数,应变-时间关系采用幂函数。该模型较好地表达了土体的应力-应变-时间关系。随着排水条件的改变,模型参数的取值有着较大的变化,其原因可归结为,在不同的排水条件下土体的应变-时间关系和应力-应变关系均有很大的不同。     

土工合成材料的蠕变折减系数

比较了获得拉伸蠕变破坏荷载-时间曲线以及蠕变应变-时间曲线的试验方法,给出了外推这两种蠕变曲线数据的处理步骤。用其他研究者和笔者的试验成果说明怎样根据设计使用年限的长期蠕变强度或容许应变,来确定蠕变折减系数,并简要介绍了时温叠加法获得历时更长的蠕变曲线的概念。     

冲击扰动诱发蠕变岩石加速失稳破坏试验

矿山开采中,岩石长期处于蠕变状态,开采扰动会诱发此类岩石的加速失稳破坏。但破坏往往晚于开采活动,表现出明显的时间滞后效应,这给预报工程灾害的发生时间带来了极大困难。针对这一问题,在岩石流变-冲击试验机上对岩石试样进行了多次循环落锤冲击-蠕变试验。分析岩样应变变化规律,探讨岩石蠕变状态、落锤冲击次数和冲击能量对蠕变岩石变形破坏特征的影响,从能量角度阐述了蠕变岩石在冲击扰动作用下的破坏规律。试验结果表明：在相同的岩石蠕变状态下,随冲击能量和冲击次数的增加,岩石内部损伤逐渐增多,加速损伤区的形成,岩样吸收更多能量,使岩样发生加速蠕变破坏。冲击扰动使岩样内集聚的弹性能沿着损伤区发生定向释放,发生破坏。研究结果为滞后型冲击工程灾害的预测提供了理论依据。     

基于渗流-损伤-应力耦合作用下考虑力学参数弱化的巷道围岩变形破坏分析

地下工程岩体渗流-损伤-应力耦合问题的研究对于巷道围岩的稳定性分析具有重要意义。本文在总结分析了巷道变形破坏类型影响因素的基础上,基于弹塑性力学、渗流力学以及损伤理论建立了岩体渗流-损伤-应力耦合模型。该模型充分考虑了多物理场耦合过程中,工程岩体的非均质性,岩体力学参数发生的动态弱化过程,围岩塑性屈服的峰后特性以及渗透系数在损伤过程中的突变性。基于多物理场耦合软件,数值模拟结果分析得到,使用该模型能更好地反映巷道围岩的屈服破坏程度和渐进破坏过程。应用该模型分析不同深度下的巷道围岩渐进性破坏过程可以得出:水平地应力为主导的地层中的巷道,屈服破坏主要发生在顶拱和底板,竖直地应力为主导的地层中的巷道,屈服破坏主要发生在两侧边墙,水平地应力和竖直地应力相近的地层中,巷道四周均发生不同程度的破坏,这与工程实际有很好的符合。     

卸荷蠕变条件下软硬相接岩层非协调变形规律研究

软硬相接岩层在长时间跨度内的蠕变变形可能极为不协调,这对开挖工程安全稳定造成严重威胁。对某水电站引水隧洞同一开挖断面内砂质泥岩和泥质砂岩两种软硬相差较大的岩石进行卸荷条件下的蠕变试验和数值模拟,结果表明：在卸围压条件下,试样侧向蠕变变形较轴向发展更为迅速,呈现出显著的侧向扩容;初始围压水平较高时,试样卸荷蠕变破坏的侧向扩容效应更加显著;泥质砂岩在稳态蠕变阶段变形速率比砂质泥岩更慢,蠕变破坏时的应变值均比砂质泥岩蠕变破坏时的应变值要小,征兆性更弱。基于Burgers模型,引入损伤变量,建立带损伤的蠕变本构模型,模型曲线较好地描述了岩石破坏偏应力水平之前的线性蠕变特征和破坏偏应力水平下的非线性加速蠕变特征;软硬相接岩层蠕变数值模拟表明,蠕变变形初期,软硬相接点变形差别幅度不大,随着时间增长,在交接面处发生层间错动,对围岩整体稳定十分不利,工程实践中应予以足够关注。     

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。     

冻结砂土在动荷载下的蠕变特征

通过分析不同试验条件下的蠕变过程曲线,探讨了冻结砂土在动荷载下的蠕变模型,分析了最大加载应力,温度及加载频率对冻土蠕变破坏应变,破坏时间和最小蠕变速率的影响.结果表明,当最大加载应力变大时,破坏应变增加,破坏时间缩短,最小蠕变速率变快;加载条件相同时,温度越低,破坏应变越小,破坏时间越长,最小蠕变速率越小;加载频率变化时,最小蠕变速率的变化无明显规律,都在一个量级范围内,当频率变大时,最小蠕变速率略有变小的趋势.频率增加,破坏时间缩短,破坏应变减小.频率小于7Hz时,频率对破坏应变和破坏时间影响较大,而当频率大于7Hz时,随频率加快,破坏时间和破坏应变只略有减小.     

奠基岩石封闭应力假说的气体包裹体和膨胀能力

陈宗基先生在1979年提出了封闭应力假说,认为它是岩石工程灾害的原因。近年来,钱七虎院士和王思敬院士分别对封闭应力假说作了肯定的定性讨论。30多年过去了,这个封闭应力假说仅得到极其少的定量研究和发展。在本文中,我提出和试图论证流体包裹体是一种具体、实在、可测量和计算的应力包裹体。它在地质岩石与矿物中普遍存在。它有压强和体积膨胀能。它是一种封闭应力和内应变能的具体存在和作用形式。我给出了这个压强、体积膨胀能和封闭应力包裹体对围岩作用的计算公式和算例。这个包裹流体压强值与深部岩石高地应力场值相当。我进一步分析和讨论了,岩石微小、密封、压紧的流体包裹体应该是深部工程岩石开挖洞室或巷道出现的岩爆、冲击地压、矿震、洞壁劈裂、围岩分区破裂和巷道大变形的一个共同张性体积力源。我认为,这个地质岩石与矿物内紧压膨胀的流体包裹体封闭应力能够完整逻辑一致地、符合自然规律地解释人们所见到的、报道的、与这些深部工程灾害相关的所有事实。并且,它能将这些事实和现象合理地、随时间演变地联系和重塑起来。这种实在、可测试、可定量的封闭应力源和能源的提出和研究能为岩石力学工作者,更好地沿着老一辈岩石力学专家们指引的途径和思路,来建立新的地质岩石力学理论、方法和技术,以更加符合自然规律地解决岩石力学领域世界性难题的深部工程灾害问题。     

高地应力下深埋隧洞软岩段围岩时效特征研究

“引大济湟”调水总干渠输水隧洞埋深大,地应力较高,其中穿越的洞段Ⅳ、Ⅴ类围岩占有较大的比例,在高地应力作用下围岩开挖卸荷后极可能出现大变形失稳、垮塌等,这些都极大地影响着TBM的掘进效率及施工进度。根据洞室开挖过程中实际揭示的围岩地质条件及变形特征,采用三维黏弹塑性数值方法,对围岩的流变特性与时效变形进行研究;在对实测地应力场进行分析基础上,结合围岩现场变形规律,对围岩蠕变力学参数进行了反演,进而对隧洞开挖区域的软弱围岩进行黏弹塑性数值分析,获得了规律性认识,为动态调整设计提供科学依据。     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

深埋隧洞开挖卸荷引起的围岩开裂特征及影响因素

通过理论分析和数值计算研究深埋地下隧洞开挖卸荷引起的围岩开裂,并分别对准静态和瞬态开挖缷荷引起的围岩开裂机制与开裂特征进行分析。采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析了开挖面上岩体应力瞬态释放和围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响,并分别对准静态和瞬态卸荷引起的围岩开裂机制及影响因素进行探讨。研究结果表明,围岩开挖缷荷是深埋隧洞围岩发生开裂的重要原因之一,高地应力条件下围岩以剪切型断裂破坏为主;瞬态卸荷存在动态拉应力效应,开挖卸荷时间越短,引起的拉应力区及围岩开裂范围越大;围岩开裂深度及范围随着侧压力系数增加而增大,且开裂区近似成V型。深埋隧洞围岩开裂特征及影响因素研究,对进一步认识围岩开挖破坏的力学机制具有重要的意义。     

泥质砂岩蠕变特性与锚固控制效应试验研究

通过泥质砂岩单轴压缩蠕变试验,揭示岩石蠕变变形与破坏的特点,反映了不同应力路径下的岩石蠕变速率与发展过程,建立了泥质砂岩的非线性蠕变模型,并通过对试件施加侧向刚性约束和锚固约束,以反映地下工程围岩在平面应变状态和支护状态下的蠕变特性。研究结果表明,锚固约束可以显著提高岩石发生稳定蠕变的应力阀值,减缓蠕变速率。根据改进的蠕变方程进行试验数据的拟合,确定了改进的西原模型蠕变方程中的各物理量。与单轴蠕变试验结果对比表明,该模型的计算结果与试验数据吻合较好,说明改进的西原模型可较好地反映岩石加锚后的蠕变特征。研究结果对深部地下工程围岩的变形与稳定控制研究具有重要的指导意义。     

高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究

隧道失稳和维护困难是高地应力隧道的普遍问题,对隧道的支护设计提出了更高的要求。研究从地下工程岩体应力环境变化和岩体强度变化的角度探讨了高应力隧道围岩的变形破坏机制。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。通过隧道的三维数值计算,分析了高应力环境下隧道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分布特点,得到了高应力隧道围岩在高地应力环境下的破坏规律。通过物理模型验证了高应力隧道围岩的破坏特点,并进行了超载试验,将其与数值模拟进行对比,进一步验证了所建数值模型的科学性。     

考虑围岩蠕变全过程与扩容的深埋隧洞非线性位移解

深埋隧洞围岩变形是一个复杂的非线性力学问题,其中岩石的蠕变全过程和扩容是两个重要的影响因素。引入扩容角考虑塑性体积变化的影响,推导Hoek-Brown屈服准则下考虑与不考虑洞周面力的深埋隧洞围岩非线性应力解。借助可描述蠕变全过程行为的河海模型,获得了围岩黏弹塑性区蠕变位移表达式。针对不同NVPB蠕变参数和不同材料参数m值情况,讨论分析了洞周面力与扩容角对隧洞洞壁蠕变位移的影响规律。结果表明：在高地应力作用下,采用非线性蠕变模型描述深埋隧洞围岩蠕变问题可获得蠕变全过程曲线;扩容角增大或洞周面力和材料参数m值减小时,相同时刻隧洞洞壁蠕变位移增大,对围岩长期稳定不利。研究结论对深埋隧洞围岩临崩预报具有一定指导意义。