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。     

万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究

为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明：砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在0.76～0.84之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为μ_c,提出了基于μ_c值的岩石长期强度确定方法且μ_c值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为μ_c值大于0.3时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至X状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳...     

冻结砂土在两级应力作用下的蠕变破坏性质

通过两级应力条件下冻结兰州砂土的蠕变试验发现，与单级应力条件下的蠕变破坏相比，第二级应力作用下冻结破坏时间增长，最小应变速率减小，即第一级应力对冻土有强化作用，在第一级应力作用时间相同时，这种强化作用的程度取决于第一级应力的大小，当第一级应力等于某临界值时，对冻土的强化作用最大。     

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。     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

冻土动力学研究的现状与进展

冻土动力学主要研究冻土在动荷载条件下的变形和强度特征及土体稳定性, 其研究成果对寒区工程设计有着重要的意义. 文章从以下几个方面介绍冻土动力学的研究现状和进展: 1)各种试验条件(土质、含水量、温度、围压、频率、应变幅值及最大应力)对冻土动力学参数(动弹性模量、动剪切模量和阻尼比)的影响; 2)冻土的动应力应变关系及动强度随频率、应变速率和围压的变化规律; 3)加载频率、最大加载应力、温度和围压对冻土动蠕变参数(破坏时间、破坏应变、最小蠕变速率)的影响及动蠕变模型.     

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model, PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。     

大理岩单轴蠕变模型参数

采用分级加载方式进行单轴压缩蠕变试验,获得大理岩的单轴压缩蠕变曲线。对比发现五元件Kelvin模型能较好的拟合蠕变试验曲线,取其作为大理岩蠕变模型。对同一应力水平下的蠕变曲线,取10 h、20 h、40 h和50 h四个蠕变时间段,用五元件Kelvin模型进行拟合,分别获得蠕变模型参数。拟合结果表明,蠕变模型参数在不同的应力水平下和不同的加载时间下都是变化的。当应力水平足够大(58 MPa),E2随加载时间的变化规律和E1刚好相反;当加载时间足够长(20 h)时,E2随应力水平的变化规律和E1刚好相同。当应力水平足够大(58 MPa),蠕变模型参数η1和η2始终随着加载时间的增加而增加。当加载时间足够长(=50 h),蠕变模型参数η1和η2始终随着应力水平的增加而增加。     

水压和应力耦合下脆性岩石蠕变与破坏时效机制研究

基于水压和应力耦合作用下锦屏深部大理岩的三轴蠕变试验,研究了大理岩的变形时效特性、等时曲线特征以及时效破坏机制。研究结果表明,(1) 孔隙水压可以增强大理岩的时效变形能力,有水压时的稳态蠕变率大于无水压状态时的稳态蠕变率。(2) 裂纹扩容失稳应力强度比可以作为硬脆性岩石是否发生失稳蠕变的门限值,且当应力强度比到达这一门限值时,岩石的失稳概率随着时间发展而陡增。(3) 体积蠕变量大于侧向和轴向的蠕变量值,显示脆性岩石扩容蠕变效应特征显著。(4) 不同时刻的等时曲线具有明显的相似性,在发生加速蠕变之前,等时曲线基本呈线性特征;而在发生加速蠕变时,等时曲线呈显著非线性特征。     

考虑应力变化速率的岩石脆性评价指标

脆性作为岩石的重要的力学指标,对深部岩体性态评价以及灾害预防具有重要意义。岩石应力-应变曲线能够很好地表征岩石的脆性。考虑到现有基于应力-应变曲线的脆性指标大多都只对曲线的一部分进行分析,且少有指标能够准确地应用于岩石Ⅱ类曲线中,对整体判断的缺乏可能会导致工程应用上适应性及可靠性不足的情况。针对现有脆性指标普遍存在的物理意义模糊、评估结果与岩石脆性的关系非连续等问题,综合考量岩石应力-应变曲线中峰前应力上升速率、峰后应力跌落速率以及峰值点应变值对岩石脆性的影响,提出了一种物理意义明确、计算结果与岩石脆性之间的关系是单调且连续的岩石脆性指数计算方法。选取国内外常用脆性指标对锦屏Ⅱ级水电站大理岩和某铁路隧道花岗岩、变质砂岩以及片麻岩的单轴压缩试验数据进行脆性评价后进行比较,验证了指标的适用性。进一步将提出的指标应用于常规三轴试验条件下大理岩脆性分析,结果表明,该指标不仅能够量化和分类不同岩石的脆性特征,还能表征围压对岩石脆性的抑制作用。     

考虑应力变化速率的岩石脆性评价指标

脆性作为岩石的重要的力学指标,对深部岩体性态评价以及灾害预防具有重要意义。岩石应力−应变曲线能够很好地表征岩石的脆性。考虑到现有基于应力−应变曲线的脆性指标大多都只对曲线的一部分进行分析,且少有指标能够准确地应用于岩石II类曲线中,对整体判断的缺乏可能会导致工程应用上适应性及可靠性不足的情况。针对现有脆性指标普遍存在的物理意义模糊、评估结果与岩石脆性的关系非连续等问题,综合考量岩石应力−应变曲线中峰前应力上升速率、峰后应力跌落速率以及峰值点应变值对岩石脆性的影响,提出了一种物理意义明确、计算结果与岩石脆性之间的关系是单调且连续的岩石脆性指数计算方法。选取国内外常用脆性指标对锦屏II级水电站大理岩和某铁路隧道花岗岩、变质砂岩以及片麻岩的单轴压缩试验数据进行脆性评价后进行比较,验证了指标的适用性。进一步将提出的指标应用于常规三轴试验条件下大理岩脆性分析,结果表明,该指标不仅能够量化和分类不同岩石的脆性特征,还能表征围压对岩石脆性的抑制作用。     

砂岩分级加卸载蠕变试验过程能量演化分析

对陕西柠条塔砂岩样品进行单轴分级加卸载蠕变试验，分析样品变形破坏过程中的能量演化规律。结果表明：随循环级数增加，各级耗散能非线性增长，各级塑性应变能相对稳定；耗散能超过塑性应变能可作为样品破坏的先兆能量特征。通过定义相关系数，建立能量与变形之间的关系后发现：随循环级数增加，各级塑性应变能与各级新增塑性应变呈正相关性，各级耗散能与塑性应变累积量呈正相关性。分别对加载、蠕变、卸载及恢复等4个阶段的能量计算后得出：各阶段能量演化速率均随循环级数的增加而增大。加、卸载速率恒定时，加载段能量变化率大于同级卸载段能量变化率，蠕变段能量变化率大于同级恢复段能量变化率。通过分析各级循环加载段能量变化规律，提出能量衰减系数 ，该值随应力水平增长呈幂函数形式降低，以此提出一种可以有效预测破坏应力的方法。     

不同岩石的抗压和抗拉破坏特征试验研究

为探究不同岩性岩石在发生破裂时的演化模式,采用声发射监测系统对大理岩、花岗岩、灰岩、砂岩的巴西劈裂试验和单轴压缩试验监测。试验结果表明,巴西劈裂试验应力变化为非线性变化和线性变化,且不同岩石在巴西劈裂破坏时会产生二次破坏;单轴压缩条件下不同岩样在发生破坏时具有典型的全应力–应变曲线特征,声发射参数变化随应力变化较为一致,但不同岩性对于声发射参数的响应存在差异;在劈裂和压缩过程中,振铃计数和撞击计数对于岩石破坏的发生更为敏感,且岩石越坚硬,发生破坏时释放的能量越多。     

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。     

温度影响下北山花岗岩蠕变断裂特性研究

选择甘肃北山花岗岩为研究对象,利用改进的三点弯曲试验对花岗岩在温度影响下的蠕变断裂特性进行了初步的试验研究,并分析了应力-应变曲线的变化特点, 得到了200 ℃下北山花岗岩蠕变全过程曲线,研究了北山花岗岩断裂韧度随温度的变化规律, 75 ℃时断裂韧度出现极值,在200 ℃以后呈下降趋势。     

含瓦斯砂岩卸围压变形特征与渗透规律试验研究

为研究含瓦斯砂岩卸荷破坏过程中的变形及渗流规律,采用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,开展了不同围压和相同瓦斯压力条件下的卸围压渗流试验,建立了基于应变指标的瓦斯渗流模型。得出的主要结论有:(1)含瓦斯砂岩破坏表现出明显的脆性特征,峰值应力点后瞬间,应力、应变及流量均出现突跳;(2)应力-应变及渗透率变化呈现明显的阶段性特征:孔隙、微裂隙压密及弹性变形阶段(Ⅰ、Ⅱ阶段),砂岩渗透性为0;卸荷屈服阶段(Ⅲ阶段),产生新的损伤,渗透性小幅增加;卸荷破坏应力跌落阶段(Ⅳ阶段),应力突降,应变陡增,裂隙贯通后渗透性陡增,是渗透性主导阶段;破坏后阶段(Ⅴ),应力、应变及流量变化均趋于稳定;(3)含瓦斯砂岩破坏阶段,受气体压力和泊松效应影响,使径向应变和体积应变远大于轴向应变;(4)含层理砂岩卸荷破坏形式以产生沿层理面方向的张剪混合裂缝为主。基于Kozeny-Carman方程和裂隙流理论,建立了应变相关渗透率模型,揭示了含瓦斯砂岩损伤破坏渗流机制,对研究瓦斯突出、及在破断岩体中的运移规律及抽采孔优化设计等具有借鉴意义。     

Carrara大理岩高温高压变形实验研究

利用高精度的Paterson高温高压流变仪对Carrara大理岩在高温(873~1173K)高压(~300MPa)以及约10-6~10-3s-1应变速率下进行了三轴压缩变形实验。结果表明,在等应变速率条件下,其强度随着温度的升高而降低;在等温和等压条件下,其强度随着应变速率的增加先快速增加而后缓慢增加。在应变速率对差应力的双对数投图中,我们发现随着温度的升高拟合直线的斜率减小,并且在873K和高应变速率时973K温度下Carrara大理岩的流变本构方程服从指数律变化关系;而在高温(1073K和1173K)和973K低应变速率条件下Carrara大理岩的应力指数n为5.3~7.7,且服从幂次律变化关系。因此,Carrara大理岩在本研究的实验条件下主要有两种变形机制,一种是用指数律表示的高应力变形机制;另一种是用幂次律表示的中等应力变形机制。     

关于分级单屈服面模型的几个问题的探讨

在大理岩、红砂岩和花岗岩的单轴压缩和常规三轴压缩试验的基础上,发现它们的极限包络线可以大致设为一条平均直线,利用此直线可以确定其斜率和粘结应力。用于计算硬化的两个硬化系数应选取应力-应变曲线上应力峰值前若干点的数据计算。试验发现岩石的破坏与阶段改变处相距不远,不能用Desai提出的方法确定阶段改变参数n。笔者认为取稍大于2的值是比较合适的。在预测材料的应力-应变曲线时,提出一种简单实用的方法,即把岩石初始压密阶段的终点作为初始状态,用该点的应力状态计算初始的硬化参数和累积塑性应变。     

不同含水率条件下花岗岩脆性特征评价指标研究

准确评价花岗岩在不同含水率条件下的脆性特征对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。总结国内外现有岩石脆性评价指标,着重对基于应力-应变曲线特征的指标适用性和准确性进行详细分析和讨论,结合单轴压缩条件下花岗岩脆性特征随含水率增加而逐渐降低的试验规律,指出目前常用的基于应力-应变曲线特征的指标难以全面准确反映不同含水率花岗岩脆性特征。基于此,综合考虑全过程应力-应变曲线及峰后破坏时间,应用峰值应变表征峰前脆性特征、峰后应力跌落速率及应变增长速率表征峰后脆性特征,由此提出一种能全面反映花岗岩变形破坏全过程的脆性评价新指标Bd。经试验证实,新指标Bd能够准确地反映出花岗岩在不同含水率条件下的脆性变化趋势,相比其他脆性评价指标具有一定优越性。研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性评价指标具有一定的参考意义和价值。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。