饱水与干燥状态下横观各向同性板岩蠕变特性

为研究水对横观各向同性板岩蠕变特性的影响,采用RYL-600微机控制岩石流变仪,以分级增量加载方式对饱水与干燥状态下具有横观各向同性特性的板岩进行蠕变试验.试验结果表明:饱水板岩试样和干燥板岩试样在蠕变试验中均出现瞬时弹性变形阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段及短暂的加速蠕变阶段.在相同加载条件下,饱水板岩试样的瞬时弹性模量小于干燥板岩试样的瞬时弹性模量.低应力状态下,饱水及干燥试样的蠕变速率都稳定,且相差不大;在高应力状态下,两种情况的蠕变速率都随载荷的增加而快速增长,且相差较大.饱水试样的破坏应力小于干燥试样的破坏应力,且随着层理角的增加都呈U形分布.     

板岩各向异性三轴蠕变特性的试验研究

为了研究板岩三轴蠕变特性,根据层理方向,对板岩进行0°和90°制备岩样,然后分别进行5 MPa、15 MPa和20 MPa围压的三轴蠕变试验。试验结果显示:围压和层理面是板岩蠕变的影响因素,围压越大,板岩的弹性模量和峰值强度越大。15 MPa围压下弹性模量和峰值强度各向异性度最大。同一围压下,平行层理面的峰值强度和弹性模量比垂直层理面的大。应力-应变曲线呈"厂"字形,板岩在低应力水平下蠕变很小,在临近破坏的高应力水平下有明显蠕变现象。围压越低,蠕变现象越明显,垂直层理面比平行层理面更易发生蠕变破坏。板岩每级加载都会出现瞬时应变且近似呈线性变化。板岩在最后一级加载下经历了初期蠕变、稳态蠕变和加速蠕变,在5 MPa和15 MPa围压下稳态蠕变期间有突变蠕变。板岩蠕变破裂形式主要沿层理面发生破坏,在低围压下附带张拉破坏,在高围压下附带剪切破坏。     

炭质板岩轴向与侧向蠕变规律研究

炭质板岩在岩土工程中普遍存在,且具有各向异性的特点。为研究其蠕变规律,首先采用岩石三轴流变试验机对自然状态和泡水30 d的炭质板岩进行单轴压缩试验,获得其瞬时强度分别为62.4和54.2 MPa,再基于瞬时强度,设置应力水平依次为瞬时强度的60%、70%、80%、85%及90%进行单轴分级加卸载蠕变试验。研究结果表明:蠕变量及蠕变速率随应力水平增大而增大;水在炭质板岩孔隙裂隙中流动,其对炭质板岩的长期损伤劣化作用使得孔隙裂隙增大,导致蠕变量及蠕变速率显著增大,尤其对轴向蠕变影响更明显,因此轴向蠕变量及蠕变速率比侧的向大;水的作用显著地增大了炭质板岩瞬时塑性应变及黏弹性应变,该现象在轴向比侧向表现更明显。     

板岩单轴压缩各向异性力学特征

考虑岩石材料的各向异性,选用层理比较明显的板岩进行单轴压缩试验,分析力学参数的变化规律。研究结果表明:层理是板岩力学参数、强度特性及破裂模式呈现各向异性的重要原因;板岩单轴抗压强度和弹性模量均随层理面倾角的增大呈"U"型变化趋势,单轴抗压强度的各向异性比为2.8,属中级各向异性水平,试样变形模量的各向异性参数比为1.7;岩样整体泊松比随层理面倾角的增加而增大,但不同试样、相同位置的泊松比变化规律不同;岩样不同倾角的层理面是出现不同破裂模式的重要原因,0°试样形成贯穿层理面的张拉破坏,30°和45°试样基本沿层理面形成单一剪切破坏,70°试样由平行层理面的剪切和贯穿层理面的张拉组成复合破坏,90°试样形成沿层理的张拉劈裂破坏。     

绿片岩的单轴压缩各向异性蠕变试验研究

通过对锦屏二级水电站辅助交通洞的绿片岩单轴压缩蠕变特性试验,研究了轴向荷载方向与层理之间的不同关系对瞬时应变、应力应变关系、轴向应变速率、衰减蠕变持续时间和蠕变破坏机理的影响.研究结果表明:在相同低应力水平下,垂直于层理时的瞬时应变增量大于平行于层理时的瞬时应变增量,而在相同较高应力水平下垂直于层理时的瞬时应变增量小于平行于层理时的瞬时应变增量;同等应力水平条件下,垂直于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间均小于平行于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间.同时,当轴向荷载垂直或者平行于层理时,应力应变关系曲线均出现了压密、弹性变形、裂纹扩展和峰后破坏阶段,且蠕变破坏类型均属于脆性破坏.     

层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征

为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响,进行0°,30°,45°,60°和90°等5种倾角的单轴压缩试验,分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响,并结合声发射监测,分析微裂纹时空演化规律。研究结果表明:1)不同层理角度试样应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大,而单轴抗压强度先变小然后增大,曲线整体呈现出"U"形,在层理倾角60°时为最低值;2)倾角从0°增大到90°时,破坏模式由"穿切层理面的劈裂型剪切破坏"转变"复合张剪破坏"再到"剪切滑移破坏",最后转变为"劈裂张拉破坏";3)试样压密段几乎没有声发射事件,在弹性段声发射事件数逐步增加,当加载到峰值强度时,事件数剧烈增加,峰后破坏阶段事件进一步累积,声发射事件阶段变化与应力-应变曲线描述的变形破坏阶段吻合,且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致;4)矩张量反演的震源类型T-k值点分布在不同阶段的变化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显,力学性质随着层理倾角变化而变化,层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。     

低温冻结条件下板岩破坏类型及单轴抗压强度试验研究

为揭示低温冻结作用对板岩破坏类型及抗压强度的影响,采用DX-40型低温数控试验箱、DNS100微型控制电子万能试验机进行7种不同层理倾角β和6种不同试验温度t的单轴压缩试验,对其应力-应变曲线以及单轴抗压强度、峰值应变、破坏类型的变化规律进行分析。在JAEGER层理面理论的基础上,建立以冻结温度和层理倾角为控制变量的单轴抗压强度公式,给出影响板岩破坏类型的2个极限角度β1和β2的表达式,并通过试验结果验证强度公式的正确性。研究结果表明:受低温冻结作用的影响,板岩的单轴抗压强度随温度降低呈指数增加;板岩的单轴抗压强度随倾角增加先减小后增大;在低温冻结条件下,板岩的破坏类型有3种,即当0°≤β27.0°时,板岩沿与竖直轴线呈一定角度的方向发生剪切破坏;当27.0°≤β≤82.7°时,板岩沿层理面发生剪切破坏;当82.7°β≤90.0°时,板岩沿垂直方向发生劈裂破坏。     

自然与饱水状态下深部斜长角闪岩蠕变特性

通过金川深部斜长角闪岩单轴压缩蠕变实验,选取典型蠕变曲线,发现该岩石黏弹性、黏塑性变形较瞬时变形偏小,卸载后弹性后效不显著.在5.1 MPa轴向应力下,自然状态的岩样近似纯弹性特征.饱水状态下岩样瞬时强度σ’b和长期强度σ’∝总体低于自然状态,且σ’∝已接近深部高地应力,因此,对于深部节理、裂隙很发育的岩体,应特别注意巷道排水,防止围岩因长期强度降低而导致巷道变形和破坏.自然与饱水状态下岩样瞬时弹性应变εme、瞬时塑性应变εmp随应力增大而增加,但增速逐渐放缓,饱水状态下塑性变形更显著;相同应力下,饱水状态岩样蠕变量大于自然状态,应变速率也总体快于自然状态,2种状态的蠕变速率在20～30 h时都逐渐稳定,且速率曲线随应力增大,微裂隙压密,彼此逐渐靠近,岩样处于相对硬化阶段;当轴向应力达到66.3 MPa后,饱水状态蠕变速率有相对加速趋势,速率曲线随应力增大先往左下移动,再朝右上移动,而自然状态蠕变速率曲线总体向右上移动.最后,通过蠕变数据分析,推导γ=ασk型经验方程,对蠕变试验数据进行回归拟合,拟合结果证明该蠕变经验模型的正确性.金川矿区斜长角闪岩蠕变实验研究为分析深部巷道该类围岩流变稳定性及支护方案优化等提供有效帮助.     

碎裂板岩不同含水状态下蠕变特性试验

为了认识不同含水状态下碎裂板岩的蠕变特性,利用Instron全数控电液伺服力学试验机对贵州黔东南地区隧道洞口的碎裂板岩进行单轴压缩蠕变试验,研究其自然风干、不完全饱和和饱和试样的蠕变特性。实验研究结果表明：（1）碎裂板岩蠕变过程主要包括衰减蠕变和稳态蠕变过程,超过一定应力后,在极短的时间内破坏,因此可由广义开尔文模型描述其蠕变过程;（2）自然风干试样蠕变破坏应力为66.2 MPa,为自然风干试样瞬时单轴抗压强度的71.7%,不完全饱和试样蠕变破坏应力为56.1 MPa,饱和试样蠕变破坏应力为38.2 MPa;（3）不完全饱和试样的最大蠕变应变为自然风干试样的2.7倍,而饱和试样的最大蠕变应变值是自然风干试样的4.3倍。     

辽西花岗岩三轴蠕变时效性试验

为研究辽西花岗岩的工程力学性能,采用TAW-2000电液伺服岩石三轴仪,对辽西花岗岩试样分别进行了围压为5 MPa、10 MPa和20 MPa条件下的三轴蠕变实验.基于不同围压条件下的三轴蠕变试验数据,绘制辽西花岗岩的三轴蠕变曲线、等时应力应变曲线和蠕变速率曲线,分析试样的蠕变起始应力和长期强度.研究结果表明:等时应力应变与蠕变速率相结合的方法能更好地描述蠕变的发展过程、变形特征和蠕变阶段.随着围压的增加,蠕变速率的波动范围减小,加速蠕变段的发展过程更为平稳,蠕变破坏经历的时间也更长.实验数据的统计分析结果表明:试样的蠕变长期强度阈值为(0.7~0.8)(σ1-σ3).     

双轴压缩下缓倾层状砂岩力学特性及损伤本构模型研究

为揭示缓倾层状岩石在双轴应力状态下的力学特征与损伤演化规律,开展15°倾角以内层状砂岩的双轴压缩试验。为准确描述层状岩石的损伤演化过程,采用等效应变原理,结合横观各向同性岩石的弹性本构关系和统计损伤力学理论,建立双轴应力作用下层状岩石的统计损伤本构模型,并对试样压密段进行修正。分别采用解析法和拟合法对统计损伤模型进行求解验证。研究结果表明：缓倾层状砂岩在双轴应力作用下,其峰值强度和弹性模量均随层理倾角的增大而减小,随侧压的增大而增大;试样在破坏时均表现出劈裂和剪切复合型破坏的形态,随着层理倾角增加,试样破坏的主控因素逐渐由穿切层面的剪切裂纹转变为沿层面的剪切裂纹,随着侧压增大,试样破坏时产生的宏观裂纹逐渐增多,试样被这些裂纹切割成块,甚至出现板裂状剥落破坏;在压密段采用拟合法、弹性段和峰值后区采用解析法所得到的模型曲线与试验曲线吻合很好,所建立的损伤本构方程可以较好地反映缓倾层状岩石在双轴压缩下的损伤效应。     

层理黄砂岩三轴循环加卸载力学特性模拟研究

层理黄砂岩为隧道工程建设中常见的一种岩石，隧道开挖及后期运行导致围岩长期处于循环荷载作用下.为了探究层理黄砂岩循环加卸载损伤破裂特征，借助PFC^2D开展了不同围压不同倾角层理黄砂岩常规三轴循环加卸载研究，分析了应力-应变曲线及损伤破裂过程，得到1组可以反映层理黄砂岩常规三轴压缩力学特征的细观参数，数值试样强度及破裂特征与室内试验结果吻合较好.数值模拟循环加卸载应力-应变曲线可以一定程度上反映力学行为，同时循环加卸载曲线和单调加载曲线变化形态吻合较好.不同倾角层理砂岩循环荷载下试样破裂特征不同，当α=0°时试样发生贯穿基质的剪切破坏，循环荷载与单调加载破裂特征相似.而当α=60°时，层理发生剪切破坏，并伴随层理两侧基质的破坏，循环荷载相对于单调加载裂纹宽度有所增加.     

工业纯钛室温蠕变性能试验

采用标准拉伸试验方法和小冲杆微试样试验技术测定钛材在室温下的蠕变性能,证实工业纯钛在室温下确实存在蠕变现象,但蠕变仅在应力足够大时发生。采用塑性薄膜伸张模型,将小冲杆试验测得的试样中心点挠度值δ转化为表征蠕变应变εsp和表征蠕变应力σsp,计算得到了与传统拉伸蠕变试验相应的蠕变应力一蠕变速率关系,比较结果说明两种测试方法获得的纯钛在室温下的蠕变速率较为接近。     

煤岩不同应力水平的蠕变及破坏特性

对韩城地区3#和5#煤岩在9 MPa围压下进行三轴蠕变试验,通过分级加载试验获取不同应力水平下煤岩的蠕变曲线。建立不同应力水平下煤岩的蠕变本构方程,并根据试验数据进行参数识别。结果表明:当3#和5#煤岩样的轴向应力分别小于其瞬时抗压强度的60%、40%时,蠕变曲线仅包含瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段,在等速蠕变阶段应变速率几乎为零;当3#和5#煤岩样的轴向应力分别介于其瞬时抗压强度的60%～80%、40%～80%时,等速蠕变阶段的应变速率近似为一常值;而当3#及5#煤岩样的轴向应力均为其瞬时抗压强度的80%以上,蠕变试验曲线分别表现出蠕变脆性破坏特性和蠕变韧-脆性破坏特性。     

不同粗糙度系数结构面分级剪切蠕变特性

掌握结构面剪切蠕变特性的规律是揭示岩体时效变形与破坏的根本途径。通过对Barton标准剖面线第1条和第10条人工水泥砂浆结构面分别开展了恒定法向力条件下的分级剪切蠕变试验,研究了结构面剪切蠕变特性随粗糙度系数(JRC)、法向应力、剪应力的变化规律。同时,采用离散元软件(PFC^2D)对不同粗糙度系数的Barton标准剖面线结构面进行了分级剪切蠕变数值模拟研究。结果表明：在恒定法向力条件下,同一结构面剪切蠕变量、蠕变速率均随剪应力增加而增加;在恒定法向应力及剪应力作用下,剪切蠕变随粗糙度系数增加而减小,结构面剪切蠕变数值模拟结果验证了同样的结论;另外,蠕变变形位移云图结果表明结构面试样沿结构面剪切加载方向,剪切蠕变随距离增加而减小;随着粗糙度系数增加,结构面剪切蠕变破坏模式由滑移摩擦为主逐渐向剪断破坏为主过渡。研究成果可为岩体工程的长期安全稳定性评价提供理论依据。     

高应力泥质粉砂岩黏弹塑性蠕变模型

为揭示高应力作用下深埋硐室围岩的流变特性,采用分级增量加载方式对泥质粉砂岩进行三轴压缩蠕变实验,根据稳态蠕变速率与应力的关系,利用给定蠕变速率阈值确定岩石的长期强度;结合蠕变曲线特征,将瞬弹性、黏弹性、黏塑性应变分离,建立模型各参数与应力和时间的函数关系;根据损伤定义确定瞬弹性、黏弹性元件的损伤变量,并引入瞬弹性、黏弹性损伤变量和黏塑性修正系数对西原模型进行优化,提出一种可以描述高应力作用下岩石蠕变全过程的变参数模型。研究结果表明:稳态蠕变速率随应力增大呈指数增大,采用给定蠕变速率阈值求得岩石的长期强度为68.82 MPa,为单轴抗压强度的74.80%;基于黏弹塑性应变分离建立的蠕变模型能够很好地描述岩石蠕变全过程的非线性特征,且优化模型与实验数据拟合较好,证明了该蠕变模型的合理性。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验研究

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

酸性环境冻融循环对花岗岩剪切蠕变特性影响研究

为了研究酸性环境冻融循环对花岗岩剪切蠕变性能的影响，以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象，对中性、酸性环境中经历不同冻融循环次数的花岗岩试件进行细观特征分析和剪切蠕变试验.试验结果表明：(1)随着冻融循环次数的增加，岩石表面损伤程度加剧，酸性环境下的损伤明显大于中性环境下的损伤；(2)酸性溶液对试样蠕变性能影响显著，随着冻融循环次数的增加，试样的剪切蠕变变形和稳态蠕变速率逐渐增大，而平均瞬时剪切模量和长期强度呈现明显降低趋势；(3)试样的总损伤因子随着冻融循环次数的增加逐渐增大，冻融循环50次时试样的阶段损伤因子最大，并且酸性环境下的总损伤因子和阶段损伤因子均大于中性环境下的值.根据试验结果，以西原模型为基础，构建了一个考虑化学-冻融耦合损伤和应力损伤的蠕变模型.基于试验结果，利用1stOpt数学优化分析软件对模型参数进行辨识，将蠕变试验曲线和理论模型拟合的曲线进行对比，验证了模型的正确性和适用性，研究结果对于酸雨侵蚀的寒区工程长期稳定性研究具有指导意义.     

干燥及饱水状态下基于巴西劈裂法的板岩抗拉强度

为研究干燥及饱水状态下不同层理角度板岩的抗拉强度的相关规律,采用微机控制电液伺服万能试验机对不同层理角度的板岩试件进行巴西劈裂试验,获得其破坏荷载、饱和含水率、抗拉强度等力学参数;基于获得的力学参数分析不同状态下板岩试件抗拉强度的变化规律以及其相对应的破坏模式。研究结果表明:随着板岩试件层理角度的增加,其抗拉强度逐渐降低,饱水状态下板岩试件的抗拉强度明显低于干燥状态下板岩试件的抗拉强度,并且层理角度为0°和90°板岩试件的破坏模式为纯拉伸破坏,层理角度为30°和60°板岩试件的破坏模式为沿层面剪切破坏。