韩城地区煤岩力学特性与破坏特征试验

韩城地区二叠系下统的山西组煤岩为含裂隙的低强度高脆性介质,其抗压强度和破坏特性与加载方式和加载速率有密切的关系。利用室内试验方法,对该地区煤层气储层煤岩开展了不同加载方式的力学研究。试验结果表明,煤岩的主裂隙(面割理)走向与加载方向的关系对煤岩的力学特性有较大影响,煤岩裂隙走向与加载方向垂直时的抗压强度是裂隙走向与加载方向平行时抗压强度的1.35倍;而弹性模量和泊松比正好相反,煤岩裂隙走向与加载方向平行时的弹性模量是裂隙走向与加载方向垂直时弹性模量的1.66倍,泊松比为1.15倍;在同等试验条件下,随着加载速率的增大,煤岩强度提高,但脆性增大,易呈脆性破坏。研究成果可为裂隙型煤岩的力学特性认识及在工程中的应用提供参考。     

冻融循环下花岗岩剪切蠕变试验与模型研究

为探讨冻融对寒区工程岩石剪切蠕变特性的影响,以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的试样开展细观特征分析和剪切蠕变试验。试验结果表明:(1)随着冻融次数的增加,试样裂隙、孔隙不断扩展,岩石表面损伤现象愈发明显;(2)试样主要以中小孔隙为主,孔隙度随着冻融次数的增加呈非线性增长趋势;(3)随着冻融循环次数增加,蠕变变形量和蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低趋势。根据试验结果,进行冻融岩石非定常蠕变参数的表达,提出了冻融岩石损伤黏性元件,构建了花岗岩冻融剪切蠕变本构模型。将蠕变试验曲线和理论模型拟合曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。通过对蠕变参数进行敏感性分析,研究了其对花岗岩蠕变变形的影响,并给出了蠕变参数随冻融循环次数的变化规律。该研究结果对于寒区岩体工程长期稳定性评价具有指导意义。     

深层膏质泥岩蠕变特性及非线性蠕变模型研究

泥岩作为油气储层常见复杂介质,在深部高温、高压环境下蠕变力学特性异常复杂,是引起套管损伤破坏的重要因素。以深部油气藏工程含膏质泥岩为研究对象,首先开展了高温为130 ℃、高围压为30 MPa、不同偏应力水平下多试样、单级加载三轴蠕变试验。该泥岩呈显著的时效力学特性,蠕变应力阀值较低,应力和持时对蠕变特性存在显著影响,低应力、长时间作用下泥岩亦呈现明显的稳态蠕变和加速蠕变破坏,且加速蠕变起始时间随应力增加呈指数降低关系。其次探讨了泥岩加速蠕变和强度损伤特性,提出了蠕变损伤起始时间概念,认为泥岩内部蠕变损伤变量可用指数函数予以描述。最后,基于蠕变损伤变量和起始时间,构建考虑泥岩加速蠕变的非线性改进Burgers蠕变模型,对蠕变参数开展辨识和分析,所选模型可准确地对深层膏质泥岩蠕变特性进行描述。研究成果旨在为深部泥岩油气藏套管工程长期稳定分析及安全评价提供可靠的依据。     

金川软岩蠕变破坏机理电镜实验研究

为探讨金川矿岩石蠕变破坏机理,应用微观扫描电镜(SEM)对蠕变受力情况下岩石破坏断口微观形态进行了观察研究,并分析了其产生的微观破坏机制。结果表明:岩石蠕变断裂的微观机制主要是拉伸、剪切作用下岩石发生脆性断裂,从岩石断裂微观形态研究岩石蠕变断裂,可以更好的揭示岩石断口微观形貌特征、裂纹生核、扩展、及断裂方式与岩石蠕变演进过程的联系。     

软黏土蠕变试验及其经验模型研究

针对湖南竹城公路路基软土开展了系统的三轴固结不排水蠕变试验,得到不同围压、不同应力加载等级下的全过程蠕变曲线。进而通过“陈氏加载法”得到分别加载下蠕变曲线和应力-应变等时曲线。以围压100 kPa为例,得出应力-应变关系采用幂函数,而应变-时间关系采用双曲线关系的蠕变方程。对比分析表明,该蠕变方程较Singh-Mitchell模型、Mesri模型更适应试验数据,能够更好地反映和预测该软土的蠕变特性。     

冻土蠕变指标试验研究

通过不同温度、不同加载应力作用下冻结兰州黄土、黏土、砂质黏土的蠕变试验,分析了蠕变曲线、初始应变、流变起始应变与流变起始时间、破坏应变与破坏时间及相对蠕变指标.结果表明：3种土质冻土的蠕变曲线变化规律大致相同,加载过程中,应变非线性增加,且加载应力越大、温度越高,初始应变越大;流变起始时间与破坏时间都与加载应力、温度有密切关系,加载应力越大、温度越高,越先出现流变和破坏. 对于相同的土质,加载应力和温度对流变起始应变、破坏应变的影响不大;对于不同土质的初始应变、流变起始应变和破坏应变,都是黏土最大、砂质黏土次之、兰州黄土最小. 3种土质冻土的初始加载段和非稳定蠕变段所占的时间较短,但产生的应变却较大;同时,温度越高,相对流变时间越短、相对破坏时间越长,说明非稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变短、稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变长.     

损伤破裂砂岩单轴蠕变特性试验研究

深部岩体工程处于高应力环境中,开挖破裂后的工程岩体在持续的高地应力作用下具有很强的时间效应,深入研究其峰后蠕变特性,具有重要的理论和实际应用价值。先采用RMT-150B型岩石力学试验系统对完整岩样进行单轴峰前屈服、峰后破裂卸载试验,制备出具有不同破裂损伤程度的峰前屈服、峰后破裂的损伤岩样;再采用RLW-2000型微机伺服岩石三轴流变仪对其进行单轴蠕变试验,研究其单轴蠕变力学特性。研究结果表明：损伤岩样波速与完整岩样相比,均出现了不同程度的降低;损伤岩样各级应力水平下,瞬时应变量均是随着应力水平的增加而逐步增加,且均符合线性函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样瞬时应变明显大于峰前屈服损伤岩样;各级应力水平下,总体上各蠕变量随着应力水平的增加而逐步提高,且均符合指数函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样蠕变量明显大于峰前屈服损伤岩样,且随着荷载水平的进一步提高,两者差异程度增加;损伤岩样各瞬时变形模量随着应力水平的增加均逐步提高,两者之间符合线性函数关系;各应力水平下对应的瞬时变形模量存在明显差异,岩样损伤程度越高,瞬时变形模量越低;各损伤岩样在各级应力水平下,改进的西原模型能够较好地模拟其单轴蠕变特征。     

高温冻土的蠕变特性试验及蠕变模型研究

为了研究高温冻土蠕变变形特征以及各影响因素对蠕变的作用, 分别在含水量15%、 25%及35%, 荷载100 kPa、 200 kPa及300 kPa, 温度-1.5 ℃、 -0.7 ℃及-0.3 ℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验, 分析在无侧限条件下高温冻土在不同温度、 荷载及含冰量条件下的蠕变变形特性。结果表明： 在当前试验条件下, 冻土蠕变变形非常可观, 且蠕变曲线都没有出现渐进流阶段; 温度是影响冻土蠕变的最重要的外在因素, 而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素; 在高含冰量条件下温度及荷载的改变对蠕变速率的影响非常显著, 甚至引起量级上的差别。在现有试验条件下, 高温冻土蠕变过程可利用Burgers黏弹性模型来较好地描述。     

三轴压缩蠕变试验下石英云母片岩各向异性蠕变特性研究

对石英云母片岩进行三轴压缩蠕变试验,研究丹巴水电站石英云母片岩的三轴蠕变特性及其各向异性特性。按轴向荷载与层理面关系加工成平行组和垂直组2组试件,开展分级加载方式进行不同围压条件下的蠕变试验。试验研究表明,石英云母片岩具有蠕变特性,包括瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段;采用带Kachanov蠕变损伤律的蠕变模型来描述石英云母片岩的蠕变特性,并进行蠕变参数辨识,拟合结果显示此模型能很好地描述石英云母片岩的蠕变特性;根据试验结果获得2组试件的长期屈服强度、破坏形态、瞬时变形参数和稳定蠕变速率,分析表明石英云母片岩的蠕变力学特性具有明显的各向异性特性。层理面与轴向荷载垂直的试件较层理面与轴向荷载平行的试件的强度、弹性剪切模量、体积模量和黏性系数相对较大,表现出较高的抗变形和抗破坏能力;平行组以剪切破坏为主,垂直组破坏时出现侧向鼓胀现象,显示出延性破坏的特点;2组石英云母片岩试件的瞬时应变量和稳定蠕变速率都随着应力水平的提高而增大。     

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。     

层状含水页岩蠕变特性试验研究

为分析层理和水对页岩的蠕变特性影响,室内制取0°、30°、60°、90°和不含层理5种页岩,每种层理页岩均处理成干燥、自然、不饱水、饱水4种含水状态,对其进行单轴压缩下的蠕变试验。试验结果表明,（1）层理角度和含水率对页岩的蠕变特性均有较大影响。同一含水率下随层理角度的增大,页岩的初始瞬时弹性呈指数式减小,瞬时弹性模量成指数式增加。相同层理角度下,随含水率升高,页岩的初始瞬时弹性应变线性增长,瞬时弹性模量线性下降;（2）采用含有弹性元件、黏性元件及开尔文体的“伯格斯”蠕变模型对页岩的蠕变过程进行描述,并对模型的参数进行了反演和验证,表明该模型能够较好地反映页岩的蠕变特征。根据试验所得层理和水对页岩蠕变变形的影响规律,通过瞬时弹性模量和黏性系数与层理角度和含水率的拟合关系,将蠕变模型中的瞬时弹性模量和黏性系数替换为层理倾角和含水率的函数,构建了能够反映页岩层理和含水率的蠕变模型。     

基于西原加速模型的煤体蠕变特性试验

为克服传统西原模型无法描述煤体加速蠕变特征的缺陷,针对煤体加速蠕变阶段中黏-弹-塑性流动特征,利用一个非线性的黏-弹-塑性模型来代替传统西原体模型中的理想黏-塑体,得到改进的西原加速模型,并推导该模型在等围压三轴条件下的蠕变方程。通过开展煤样三轴蠕变试验,采用模型辨识的方法,利用改进的西原加速蠕变模型对煤体蠕变试验数据进行了拟合分析。结果表明,拟合结果与试验数据基本吻合,较好地反映出了煤体非衰减蠕变特征;并对改进模型的稳定性进行讨论,加速蠕变模型中的弹性模量E₃具有明确的物理意义,可将E₃<0作为煤体发生蠕变失稳的判断依据。     

岩石蠕变变形的混沌特性研究

对岩石蠕变变形分别进行了流变模型法和试验法的混沌特性研究,分析了其混沌行为的演化过程、进入混沌的通道以及混沌发生的条件,讨论了两种方法的现场工程应用问题以及相关参数的理论和实践意义。研究表明,岩石蠕变变形的发展过程是一种从有序－混沌（无序）－有序的过程。最后,根据岩石蠕变变形的孕育过程具有混沌特征的这一特性,提出控制岩石蠕变系统的应力水平是避免其混沌发生的主要途径。     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

深埋长大隧洞围岩非线性蠕变模型研究

针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞（埋深为2 525 m,长为19 km,宽为13 m）围岩在开挖过程中呈现明显的流变劣化特征,采用CSS-283双向万能伺服试验机,对洞室围岩（软弱板岩）进行单轴压缩蠕变试验和剪切蠕变试验,引入流变参数是时间函数与强化函数,建立岩石非定常参数剪切蠕变模型和单轴压缩蠕变模型,并推广到三轴非线性流变模型,与试验结果对比基本吻合。最后,结合锦屏二级水电站深埋长大隧洞进行数值计算,得到该隧洞190 d开挖运行变形规律,以期为工程建设提供理论指导。     

饱和盐渍土分数阶蠕变模型及试验研究

采用等温条件下饱和盐渍土的固结蠕变试验研究了其蠕变特性。在元件模型的基础上,通过引入Abel阻尼器和渗透吸力后,建立了饱和盐渍土的分数阶蠕变模型,从表观现象学方面展开了含盐量与饱和盐渍土蠕变特性的相关性讨论。结合试验结果和分数阶模型,拟合分析了渗透吸力同次固结系数与压缩指数的比值C_a/C_c和初始剪切模量以及初始剪切应变的相互作用关系。在蠕变试验的基础上,通过不同应力水平、含盐量的试验结果对分数阶模型进行了拟合分析,并结合给出的黏度系数公式对模型的有效性进行了验证。分析结果表明:次固结系数与压缩指数的比值C_a/C_c随着渗透吸力的增大而增大且呈指数关系,初始剪切模量随着渗透吸力的增大而减小,初始剪切应变与渗透吸力呈现出线性关系。相比与整数阶元件模型,所提出的分数阶蠕变模型更适合于饱和盐渍土蠕变行为的预测。结合试验和模型分析结果,发现含盐量的增大促进了盐渍土的蠕变行为。     

重塑黄土三轴蠕变特性研究及模型分析

采用SR-6型三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡重塑黄土进行了一系列室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了90%压实度下重塑黄土在不同含水率与围压下的蠕变特性,并依据试验资料建立了两种经验蠕变模型。结果表明：该地区黄土具有明显的流变特性,总体呈非线性衰减蠕变;围压与含水率均对蠕变特性有着显著的影响,土样在小围压、大含水率的条件下蠕变现象明显且蠕应变较大;同等荷载增量引起的应变增量的突然放大,预示着该级荷载已经超过土体的屈服应力值,土样产生黏塑性变形;两种模型的建立均能恰当地描述土体在20% ~ 65%偏应力水平下的蠕变特性,且模型简单,参数易得。     

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。     

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。