某地区黑云角闪岩应力松弛特性研究

岩体工程失稳往往由工程岩体蠕变、应力松弛等时效力学行为下的损伤演化所致。本文以某坝基黑云角闪岩为研究对象,进行了2组单轴应力松弛试验,获取了不同应力条件下的应力松弛及其相应的应力松弛速率曲线。试验结果表明：根据应力松弛曲线形态可分为快速松弛,减速松弛及应力稳定3个阶段,应力松弛的演化与岩石裂隙的萌生和流变变形密切相关。在此基础上,提出了采用非线性Maxwell模型描述岩石应力松弛特性,模拟结果与试验结果吻合较好。本文研究可为类似工程的长期安全稳定性研究提供理论依据。     

吹填软土CU三轴剪切应力松弛特性试验研究

应力松弛与蠕变二者机制不同,不能简单复制。CU三轴剪切试验可以对许多工况进行模拟,而这些工况中可能包含了一定程度的应力松弛现象,由应力松弛导致的工程事故时有发生。天津滨海吹填软土具有显著的流变特性,以天津滨海吹填软土为研究对象,使用WF应力路径三轴仪,对土样进行固结不排水三轴剪切应力松弛试验。试验结果表明:应力松弛过程可分为快速、慢速和稳定3个阶段;一定范围内,应力松弛速率随初始松弛应变增大而增大;偏应力与时间对数之间存在近似线性关系;应力松弛对总抗剪强度指标几乎无影响,但使有效黏聚力c'减小,有效内摩擦角φ'增大。最后对试验数据进行了归一化和拟合,推导并验证了能够反映吹填软土应力松弛特性的应力-应变-时间关系模型。其研究结果对天津滨海吹填软土的流变性进行了补充,可为相关工程事故的防治提供理论参考。     

基于损伤演化的片岩应力松弛特性

为揭示丹巴水电站石英云母片岩的各向异性松弛性特及松弛过程中的损伤演化规律,针对平行片理组和垂直片理组石英云母片岩,采用程控蠕变试验仪,开展为期720 h的单轴应力松弛试验。试验发现,平行片理组和垂直片理组岩样的应力松弛曲线均可分为快速松弛、减速松弛和稳定松弛3个阶段,属于非完全衰减型松弛类型;受片理发育方向影响,平行片理组应力衰减历时较垂直片理组长。结合石英云母片岩的应力松弛特征,将基于能量耗散的损伤因子代入Bingham模型流变本构方程,利用改进Euler差分算法推导应力松弛方程,并用神经网络法对模型参数进行辨识。研究表明,平行片理组与垂直片理组在快速松弛阶段损伤发展较快,且随着松弛过程的进行损伤速率逐渐降低至稳定,损伤演化与应力松弛过程是统一的;考虑损伤演化的Bingham流变模型拟合曲线与试验结果具有较高的吻合度,说明文中提出的松弛方程能很好地描述石英云母片岩的应力松弛特性,对软岩工程研究具有较高的应用价值。     

土石混合体应力松弛试验研究

本文采用应变控制式三轴仪,在分级加载条件下,分别对含石量为20%和30%的土石混合体进行三轴应力松弛试验。根据试验结果,对土石混合体的应力松弛阶段进行了划分,通过对不同含石量试样的应力松弛特征的对比和分析发现：随着初始应力的增加,应力松弛量增大,应力松弛比减小。高含石量的应力松弛量和应力松弛比均较小,即增加含石量可以减小土石混合体的应力衰减。采用Wiechert模型能够较好的描述土石混合体的应力松弛特征,基于该模型的拟合曲线与试验结果较为吻合。     

含卸压孔硬岩应力松弛特性试验研究

针对非完整硬岩应力松弛特性研究的不足,开展了含卸压孔的具有岩爆倾向性的辉长岩试样峰前加载、松弛和再加载、再松弛模式的应力松弛试验,得出了其峰前应力松弛特性、松弛模型和超声波变化规律,揭示了应力松弛过程的卸压孔作用机制。结果表明：含卸压孔硬岩应力松弛过程经历了迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段;随峰前加载载荷增加,其应力松弛度总体上呈现增加,能量耗散量增加,用于硬岩损伤破裂演化的能量比例增加;通过波速、波幅和波形变化对比分析可以反映含卸压孔硬岩应力松弛过程的变形损伤破裂演化进程;Burgers模型能较好地反映含卸压孔硬岩的应力松弛特性。经与完整辉长岩试样应力松弛试验对比分析,表明同等情况下含卸压孔硬岩的应力松弛度更大,松弛过程能量耗散量更多,耗散速度也更快。该研究结果对硬岩、含卸压孔硬岩长期稳定性分析、预测及岩爆解危具有很好的指导和借鉴意义。     

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。     

膨胀土应力松弛的分数阶模型

为了更准确地描述膨胀土应力松弛的力学特性,应用分数阶微积分理论构造的软体元件取代传统元件模型中的理想黏滞元件,并考虑黏滞系数的损伤劣化,建立了可以更加准确地反映南宁膨胀土非线性应力松弛特性的三元件模型。通过一系列室内试验研究,探索了在不同含水率条件下南宁膨胀土的应力松弛规律,并根据对试验结果的分析,确定了相关的模型参数,得到了膨胀土在不同含水率条件下的应力松弛方程。与整数阶西原模型和整数阶St.Venant模型进行对比,其结果表明所提出的改进模型能更有效地模拟膨胀土应力松弛的全过程,且模型具有结构简单、计算参数少、计算精度高和便于实际应用等优点。研究结果为膨胀土在长期荷载作用下的应力松弛分析提供了理论基础。     

某地红砂岩多轴受力状态蠕变松弛特性试验研究

与岩石单轴蠕变松弛试验研究相比,多轴的研究结果很少,这一现状的结果是岩石的三维蠕变松弛模型基本是其单轴模型的简单推广,缺乏试验资料的佐证。为了积累宝贵数据,推动岩石多轴蠕变松施模型的发展,利用广东某地的红砂岩开展了以下试验研究：(1) 不同围压下岩石的蠕变松弛特性;(2) 二向受力状态下岩石的蠕变松弛特性;(3) 多轴受力时,饱水和风干状态下岩石蠕变松弛特性的对比。总结、分析试验结果,获取了该种红砂岩多轴蠕变松弛特性的一些基本规律或现象,如：轴压相同时,侧压越高,蠕变量越小;当围压相同、时间相同时,应力 越高,则 的松弛量也越大。这些结果对于岩石力学的基础研究及现场施工设计均具有较大意义。     

不同三轴应力途径下红砂岩力学特性试验研究

针对大量地下工程(交通隧道、水电站地下厂房等)涉及的不同地应力环境对围岩稳定的控制作用,通过对四川盆地普遍分布的侏罗系红砂岩三轴试验研究,系统分析了红砂岩在三轴加载和卸载应力条件下的变形破坏特征以及强度特性,揭示了红砂岩在不同应力路径下所表现出来的破坏方式以及性质差异,表明加载应力环境下以剪切破坏为主、卸载应力环境下则以拉裂破坏为特点,且前者的破裂角要明显大于后者。同时还明显表现出相同岩石在加、卸载应力环境下强度参数的差异,从强度参数看,红砂岩内聚力C值表现为卸载比加载条件下小,而内摩擦角φ值则刚好相反,表现为卸载比加载条件下大。以高围压(20MPa)卸载下所得强度参数为例,表明卸荷破坏下C值比加载条件下降低22.8%,而φ值比加载条件下提高57.2%,上述数据说明应力环境不同岩石强度参数差异明显,卸荷所导致的岩石强度参数弱化效应非常显著。     

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变本构模型研究

依据粉砂质泥岩三轴压缩蠕变试验结果,分析了岩石的蠕变力学特性。选取线性黏弹性Burgers模型来描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变特性。引入非线性黏塑性元件,将其与Burgers模型串联起来,建立一个新的六元件非线性黏弹塑性Burgers蠕变本构模型。采用非线性Burgers模型来描述岩石的加速蠕变特性。应用Levenberg-Marquardt算法对蠕变试验曲线进行辨识,得出各级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,表明线性Burgers模型与非线性Burgers模型可以准确描述岩石3个蠕变阶段的力学特性。模型参数辨识结果表明,在同一级应力水平下岩石轴向与径向的蠕变模型参数各自独立并不统一,模型参数取值时应考虑岩石蠕变的各向异性以及轴向与径向蠕变量、蠕变速率大小的差异。在前7级应力水平下,模型参数应取以轴向应变辨识得到的Burgers模型参数;在第8级应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的Burgers模型参数;在破裂应力水平下,模型参数应取以径向应变辨识得到的非线性Burgers模型参数。     

岩石在峰值荷载变形条件下的松弛试验研究

进行了岩石在峰值荷载变形条件下的松弛试验及峰值荷载前的加卸载试验。试验表明：岩石在峰值荷载变形条件下的应力松驰曲线呈阶梯式下降特征,说明岩石在峰值荷载变形条件下的应力松弛是间断的和阵发式的,其原因是岩石内部破裂面相互滑动、裂纹扩展和新裂隙产生的综合作用;岩石结构的完整性和岩石弹性能量储存能力强弱对岩石的松驰特性具有明显影响,因这些因素不同,则应力下降台阶数及松驰时间也不同。     

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。     

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。     

三轴应力作用下岩盐溶解速率影响因素分析

利用自行研制的三轴岩盐溶解试验机,实现在三轴应力条件下岩盐试样溶解试验。进行三轴应力条件下溶液浓度、温度、流量以及偏应力4个因素相互耦合状态的岩盐溶解速率正交试验,研究各个因素对岩盐溶解速率的影响规律。对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对岩盐溶解速率相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算各个影响因素的权值。研究结果表明,岩盐溶解速率随着浓度增大迅速降低,随着温度升高而增大,随着流量增大缓慢增加,但变化并不明显;随着偏应力增大先减小,后缓慢增大。极差分析和权值计算结果表明,岩盐溶解速率影响因素主次关系依次为浓度、温度、流量和偏应力。4个因素对岩盐溶解速率影响权值大小依次为0.570、0.384、0.048、0.005,其中浓度和温度两个影响因素权重占到95%。