红层软岩模型试验相似材料的配比试验研究

相似模型试验是研究红层软岩工程性质的重要手段之一,其试验结果的可靠性依赖于相似材料的正确选择与合理配比。针对红层软岩遇水极易软化的特性,在传统相似材料配比基础上添加生石灰,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,以骨料中铁粉与钡粉质量比例、铁粉与钡粉总质量中铁粉的质量比例、石膏质量、生石灰质量为4个因素,每个因素设置了5个取值水平,共制作25组、610个试样。每组试样均测试了其软化系数、密度、无侧限单轴抗压强度、抗拉强度及黏聚力与内摩擦角等物理力学参数,并研究了这些参数随上述4个因素取值水平的不同而变化的规律。最后,基于上述结果,配制了3种典型的软岩相似材料,并分别开展了真实软岩材料的饱水软化平行对比试验。研究结果表明：（1）根据配比方案所配相似材料物理力学参数可基本满足软岩相似模型试验的要求;（2）相似材料物理力学参数变化规律明显,便于通过调节其配比模拟不同软岩材料;（3）三组对比试验中相似材料饱水软化系数与真实软岩具有较高吻合度。     

软岩相似材料配比实验研究

为制作软岩的相似模拟材料,选用河砂为骨料、石灰和石膏作为胶结物、铁砂为增密剂、甘油为增塑剂、硼砂与水结合混合溶液为黏结材料,建立了4因素4水平的正交试验方案,进行了相似材料试样的物理力学性质实验,并通过实验结果的极差分析、方差分析及损伤分析,获得了相似材料各成分变化对试样物理力学性质的影响规律。结果表明,影响相似材料密度和力学性质的主要因素分别为河砂与铁砂的比例和甘油与石灰石膏的比例,而试样在最大荷载作用下损伤值为0.85~0.97范围,其基本已破坏。基于本文得到的相似材料物理力学性质指标,在目标强度和相似比确定的情况下,可以设计软岩相似材料的最优配比方案,满足软岩材料有关的相似试验要求。     

盐岩油气储库介质地质力学模型相似材料的研制

以江苏金坛盐岩地下油气储库为示范工程,以精铁粉、重晶石粉、石英砂、一级松香和医用酒精为原料,根据相似原理以及金坛盐岩油气储库地层中盐岩、泥岩和盐岩夹层的实测物理力学参数,开展了各种配比条件下材料的单轴压缩、三轴压缩、直剪和巴西劈裂试验,通过原岩和模型材料的重度、泊松比、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等基本物理力学参数以及相应变形特征和强度破坏特性的对比分析,研制出基本满足相似条件要求的盐岩油气储库介质（盐岩、泥岩和盐岩夹层）的地质力学模型相似材料,为开展盐岩地下油气储库运营的变形与失效破坏地质力学模型试验提供了可靠的材料保证。     

盐岩蠕变相似模型及相似材料研究

相似材料模型试验是研究岩土工程的重要手段之一。基于相似理论,应用量纲分析法,推导考虑盐岩蠕变特性的相似模型,得到相关参数的相似判据,并以不同粒径的工业盐、精铁粉为骨料,环氧树脂、乙二胺为黏合剂构成相似材料,经过大量的材料配比力学试验,得到了一种基本满足金坛盐岩蠕变相似模型要求的材料配比,为开展盐岩地下油气储库建造及运营期的变形、破坏相似材料模型试验打下了坚实的基础     

基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验

采用软岩相似材料进行了2种不同流变加载方式下的单轴流变损伤破坏试验,并通过超声检测技术获得了软岩在各级流变阶段的超声信号。试验结果表明：软岩相似材料具有强烈的黏、弹、塑性变形特征,选用西原模型对软岩各级流变过程进行模拟较为合适;当应力达到或超过软岩试件单轴抗压强度的80%时,纵波波速曲线才会在流变过程中持续下降,出现可检测损伤迹象,而首波振幅曲线波动大,检测结果不准确;以波速定义损伤变量,得到了软岩流变过程损伤演化曲线。试验结果能为软岩工程长期流变下的结构稳定性提供依据。     

含水状态下软岩蠕变试验及损伤模型研究

为考虑时效劣化和含水弱化对岩石蠕变参数的劣化效应,提出了蠕变损伤模型,即对西原模型进行参数修正与完善,开展了不同含水状态的软岩三轴蠕变试验。首先,对不同含水率的岩石蠕变规律进行了对比分析,初步揭示了含水状态对岩石蠕变过程影响规律的机理。其次,为了能够较好地描述岩石蠕变过程,引入时效劣化效应和含水弱化效应,并通过试验数据拟合了损伤变量和蠕变参数。最后,将模型的计算值与试验值进行对比分析。结果表明,岩石随着含水率的增大,初始蠕变值和稳态蠕变值有所增大。通过FLAC3D验证了该模型的数值计算值与试验值具有很好的吻合性,提出的岩石时效蠕变损伤模型将为岩石流变特性的研究提供一定的理论基础。     

软岩立井井壁与流变岩体相互作用的实验分析

利用流变介质模型，分析软岩立并并壁与粘弹塑性围岩的相互作用。根据现场实测结果及围岩压力与时间的关系，得到围岩应力、位移随时间的变化规律和粘塑性区的扩展规律。     

基于正交设计的岩石相似材料配比研究及底摩擦物理模型试验应用

在铁精砂胶材料基础上,加入黏土作为增塑剂,应用正交设计法,以黏土/(骨料+黏土)、(铁粉+重晶石粉)/骨料、铁粉/(铁粉+重晶石粉)及石膏/混合料为4个因素,每个因素设置5个水平,共25组材料配比方案,开展相关试验测定了各组材料的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角及黏聚力等参数指标,并研究了参数与影响因素之间的变化规律。基于上述分析,配制了两种不同岩石相似材料,并开展了相关底摩擦模型试验。研究结果表明:(1)根据配比方案所配制的相似材料物理力学参数分布范围广,可满足不同岩性相似材料的配制需求;(2)各个因素对相似材料物理力学参数影响效果规律性强,便于通过调节配比模拟不同岩石材料;(3)应用配比方案对两种岩性差异较大的岩石相似材料进行配制,其物理力学参数与原岩具有较高的吻合度;(4)基于所配相似材料开展的反倾边坡底摩擦模型试验具有很好的试验效果。     

软岩流变过程与强度研究

文中通过分析软岩流变特征找出流变速度与作用载荷之间的关系。利用U-相关曲线确定能够反映流变过程的4个特征点(流变起始点、等速流变起始点、加速流变起始点、流变破坏点).根据4个特征点的变化规律确定临界等速流变应力的方法和流变强度取值原则。     

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。     

流-固耦合模型试验用的新型相似材料研制及应用

为研究隧道突水、突泥过程中断层及围岩各物理场变化规律,根据地质力学模型试验相似原理,通过大量多组别配比试验,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及围岩相似材料。其中,断层相似材料以砂为粗骨料,滑石粉为细骨料,石膏、膨润土作为胶结剂,液态石蜡作为调节剂;围岩相似材料以砂为粗骨料,重晶石粉、滑石粉为细骨料,白水泥及乳胶作为胶结剂。通过大量室内试验,对比分析原岩及相似材料变形特征及强度破坏特性,重点对单轴抗压强度、渗透系数、重度、泊松比、弹性模量等重要变形及水理特性参量进行调控,系统研究不同配比对材料参数的影响规律。试验结果表明：该材料力学参数变化范围广、性能稳定、操作工艺简单,可用来模拟不同渗透系数的低、中等强度岩体材料。将该相似材料应用于吉莲高速公路永莲隧道断层突水、突泥三维地质力学模型试验中,力学性能及水理特性均达到试验要求,能够有效地模拟突水、突泥的发展演变过程,真实反映断层灾变过程中各物理场响应规律。     

水库型滑坡模型试验相似材料的研制及应用

相似材料的研制是滑坡模型试验的关键。在相似材料的研究基础上,通过大量的配比试验,结合模糊综合评价法对不同配比材料的相似性进行比较,研制出同时模拟物理力学性能相似和渗流作用相似的水库型滑坡相似材料,这种材料由标准砂、滑体土、膨润土和水溶液混合而成。同时通过库水作用下滑坡模型试验评价该材料的相似效果,记录水位升降过程中坡内的孔隙水压力变化、渗流变化、滑面形态及裂缝形成发展过程。试验结果表明,库水对岩土体物理力学性质的弱化和坡内指向临空面的渗透压力是滑坡产生的主要诱发因素;水库型滑坡的破坏模式为有多级滑面的牵引式破坏;试验观测的浸润线与理论计算结果基本吻合。该相似材料的物理力学性能和渗流效果均能达到试验相似要求,模拟库水作用下滑坡变形破坏过程的效果良好,是一种比较理想的水库型滑坡模型相似材料。研究结果为进一步开展大型水库型滑坡模型试验提供了科学依据。     

滑坡碎屑化运动物理模型相似材料特性研究

高速远程滑坡物理模型试验中,岩石相似材料的选择是模型试验成功的关键,然而目前滑坡相似材料强度高、难以在缩尺试验中模拟滑坡破碎过程。以重晶石、石英砂为骨料,石膏为胶结剂,羧甲基纤维素钠、甘油、水作为辅助材料,进行可破碎岩石相似材料的配比试验。采用控制变量法研究重晶石与石英砂比例（重石比）、骨料与胶结物比例（骨胶比）、羧甲基纤维素钠含量、拌合水量、甘油含量对相似材料物理力学性质的影响。试验结果表明：所有配比情况下各相似材料物理力学参数的范围分别为单轴抗压强度为0.12～1.47 MPa,弹性模量为25.51～148.12 MPa,黏聚力为1.63～87.39 kPa,内摩擦角为22.70°～35.89°,脆性指标主要分布在0.033～0.145之间;重石比主要控制岩石相似材料的内摩擦角;骨胶比减小,对应的黏聚力和内摩擦角先增大后减小;羧甲基纤维素钠对材料的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力等材料的力学特性以及材料的脆性指标影响均比较大,其中对单轴抗压强度的影响最大。因此,控制羧甲基纤维素钠和拌合水量的含量,并合理调节重石比与骨胶比,在相似比约为1∶600的试验尺度下,最终确定了适用于高速远程滑坡碎屑化过程模拟的低强度高脆性岩石相似材料的配比区间。     

软岩流变的一种新力学模型

软岩在低应力水平下表现为弹性和粘弹性;在较高的应力水平下表现为弹性、塑性和粘弹性;在高应力水平下表现为弹性、塑性、粘弹性和粘塑性。为了对其进行全面描述,首先,提出了两种非线性元件-蠕变体和裂隙塑性体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合流变力学模型。然后,通过其采用的软岩蠕变的分级增量循环加卸载试验证明,该模型可很好地描述软岩在不同应力水平下的蠕变特性特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,可在工程实际中推广应用。     

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。     

软岩泡水隧道锚变形破坏模型试验

为了研究软岩隧道锚锚体及其围岩泡水后变形破坏的特点,以在建的几江长江大桥为依托,开展了泡水状态（M2）和自然状态（M3）两组缩尺比例为1:30的现场模型试验。通过对各关键测点的试验数据分析,获得了不同状态的模型锚锚体和围岩在破坏过程中的变形特点及规律,并对隧道锚的破坏模式进行了分析。研究表明：不论是模型锚表面还是深部,试验过程中,M2各测点（锚体外侧岩体、锚间岩体等）的位移总体大于M3测点的位移,且破坏荷载值要低于M3。隧道锚围岩含水率不同,破坏模式有所差异。对于含水率为7.39%的M2,其裂隙出现顺序为先洞脸后地表,先西锚后东锚;对于含水率为5.36%的M3,其裂隙先出现在锚体上部地表,然后出现在锚洞斜面,最后在锚碇区大量出现。此外,地形条件也会使得同一含水状态的隧道锚的两个锚体的变形有所差异。研究成果可为软岩隧道锚的修建以及类似的工程设计、施工等提供参考和借鉴。