单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

粉砂质泥岩流变力学参数的试验研究

通过对粉砂质泥岩进行围压37 MPa下的常规三轴压缩试验和三轴压缩流变试验,获得应力-应变曲线和蠕变曲线,对其瞬时力学性质和流变力学性质进行了比较,分析了长期荷载对粉砂质泥岩力学参数的影响,并利用改进的西原模型对围压5 MPa下的蠕变试验曲线进行了模拟.结果表明,该粉砂质泥岩具有明显的时间效应,其强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角等力学性质指标在长期荷载作用下均有不同程度降低,其中强度指标表现得最为明显,长期荷载对黏聚力的影响较大,而对内摩擦角的影响较小;所采用的改进西原模型能够很好地反映该粉砂质泥岩的流变力学特性.     

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).     

豫南燕山期花岗岩蠕变特性及非线性蠕变损伤模型

豫南信阳地区燕山期高钾钙碱性I型花岗岩分布广泛,岩石性质对深埋地下洞室围岩开挖及支护设计具有重要影响。以豫南某大型水电站地下厂房区花岗岩为研究对象,在对其地质分布情况及矿物成分调查测试基础上,进行三轴压缩蠕变试验,揭示了围岩蠕变特性及加载过程中的损伤演化性质,采用等时曲线法进行花岗岩蠕变长期强度分析。考虑蠕变过程中岩石发生的损伤累积,建立变黏性系数的黏壶元件,并代替传统西原正夫模型中Newton黏壶,构建了能够描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型。结果表明：在整个蠕变过程中,花岗岩的总变形量以瞬时弹性变形为主,最终的蠕变破坏表现出脆性剪切破坏的特征;围压对剪切裂缝的扩展具有主要抑制作用;长期强度随围压增大而减小,与常规三轴试验结果相比,长期强度分别下降6.37%和21.0%;采用Levenberg-Marquardt优化算法+通用全局优化算法对非线性蠕变损伤模型进行参数辨识及拟合,理论值与试验值吻合较好,验证了非线性蠕变损伤模型对于岩石全过程蠕变特征描述的合理性及适用性。研究成果对保障豫南燕山期花岗岩地区的工程建设优化设计和安全建设具有重要意义。     

基于蠕变试验的冻结红砂岩长期强度研究

人工冻结法以其独特的优势广泛应用于西部建井工程,因此研究岩石在冻结状态下强度特性尤其重要,基于冻结红砂岩蠕变试验,分别通过过渡蠕变法、等时应力-应变法、裂纹损伤应力法、稳态蠕变速率交点法得到冻结砂岩长期强度。结果表明:(1)通过过渡蠕变法可以得到冻结砂岩长期强度的取值范围,约为三轴压缩强度的45%～65%;(2)体积应变等时曲线簇更加能够体现时间对岩石变形的关系,长期强度约为三轴压缩强度的48%;(3)稳态蠕变速率法能够较为简单的确定岩石长期强度,但因其方法本身具有一定的局限性,综合考虑三向蠕变速率,对其改进得到稳态蠕变速率交点法,可以更加精确反映砂岩强度,长期强度约为三轴压缩强度的49%;(4)引入裂纹体积应变计算方法,根据其与时间的关系得到裂纹体积应变等时曲线簇,得到的强度值与等时曲线法极其相近,因此裂纹损伤应力法也可作为确定岩石长期强度依据。将冻结红砂岩的长期强度作为监测冻结壁变形的标准,可为评价冻结壁蠕变诱发失稳破坏提供理论支撑和试验依据。     

冻融循环条件下粗粒料变形特性试验研究

为揭示粗粒料在冻融环境与复杂应力条件下的变形特性，采用大型三轴压缩试验与蠕变试验研究了粗粒料在不同冻融循环次数、围压与应力水平下的变形特性与蠕变特性。试验结果表明，未冻融粗粒料的应力-应变曲线为应变硬化型曲线，在试验围压100～600 kPa范围内粗粒料剪切过程中均表现为剪胀性；冻融循环后初始弹性模量与破坏应力均呈下降趋势，200 kPa围压时，初始弹性模量降低20%,破坏应力降低37%,600 kPa围压时，初始弹性模量降低5%,破坏应力降低25%;冻融循环后粗粒料轴向蠕变应变随时间的发展为衰减型蠕变规律，轴向蠕变应变随冻融循环次数和应力水平的增大而逐渐增大，8次冻融循环后轴向蠕变应变明显增大；应力水平影响下的粗粒料蠕变时间曲线可采用指数函数形式表达。     

基于ANFIS神经网络的红黏土蠕变模型

为更好地评价红黏土边坡的蠕变特性和长期稳定性,必须建立合理的红黏土蠕变模型.首先利用自行设计改装的红黏土三轴蠕变试验装置,采用分级加载,对在不同围压下固结完成的红黏土试样进行室内排水三轴蠕变试验,获得了不同围压下的红黏土蠕变全过程曲线.然后采用"陈氏加载法"将分级加载曲线转化为不同偏应力水平下的分别加载曲线,利用等时曲线法获得红黏土的长期抗剪强度.选用不同围压、不同偏应力水平下的部分蠕变试验结果进行样本训练,建立了基于ANFIS神经网络且考虑围压及偏应力影响的红黏土蠕变模型.最后,利用训练完成的本文模型对其他蠕变试验结果进行预测,结果表明本文模型的拟合及预测精度均较高.     

三轴试验条件下城市生活垃圾土的变形强度特性

在实验室对现场钻取的垃圾土样进行成分分析和试样制备,考虑填埋场内垃圾土的实际状态,采用三轴试验从试样尺寸、固结方式和应力路径等3个方面系统研究了垃圾土的变形和强度特性,试验结果表明：(1)直径分别为40mm和100mm两种尺寸的垃圾土试样的应力-应变关系具有相同的变化规律,偏应力随着轴向应变的增加逐渐增大,应变水平较大时应力-应变曲线呈上翘形状,应变超过30%仍没有出现屈服或达到峰值的迹象;轴向应变相同时,偏应力随着围压的增加而增大;轴向应变和围压都相同时,相比小尺寸试样,较大尺寸试样的抗剪强度较小.(2)得到了垃圾土的抗剪强度参数随轴向应变的线性表达式,小尺寸试样的黏聚力和内摩擦角分别约为较大尺寸试样的1.48倍和1.16倍.(3)等压固结、各向异性固结和K₀固结(3种固结方式的侧向土压力系数k分别为1.0、0.54和0.29)试验所得垃圾土的偏应力增量随着k值的减小而略有减小.(4)轴压不变围压逐渐减小的卸载试验结果表明,垃圾土的偏应力-轴向应变曲线类似双曲线形状,围压越大偏应力越大;围压减小到0后轴压持续增加的加载试验结果表明,垃圾土的偏应力-轴向应变曲线同...     

不同初始应力下软岩卸荷蠕变试验及长期强度

软岩蠕变对地下岩体工程变形控制及长期稳定的影响极为重要,为研究不同初始应力下软岩分级卸荷蠕变行为,以四川省大渡河丹巴水电站右岸平硐的软岩为研究对象,开展了不同轴压下分级卸荷-蠕变试验,分析了软岩在恒轴压和分级卸围压下的蠕变特性及长期强度特征。结果表明：破坏围压下,软岩蠕变曲线和蠕变速率均表现出衰减、稳态和加速三个典型阶段;初始轴压能显著影响软岩的蠕变破坏特征,初始轴压越大,软岩在卸围压时越容易破坏,且均以压剪破坏为主,较高初始轴压会造成试样端部出现拉剪裂隙;软岩长期强度和蠕变破坏强度的比值均在90%以上,卸荷时初始轴压越大,软岩越早进入屈服阶段。     

冻结饱水砂卵石蠕变损伤特性试验研究

以北京典型饱水砂卵石地层为研究对象,基于损伤演化及元件模型理论,引入弹性体、黏壶体及损伤体,建立了Ⅰ、Ⅱ类蠕变损伤模型,并通过-10℃条件下饱和砂卵石的三轴蠕变试验对该模型进行了验证。研究表明:当应力差较小时,蠕变主要以瞬时弹性变形为主,均大于该阶段总变形量的57.62%,随着应力差的增大,蠕变以非线性变形为主;蠕变进入加速破坏阶段的应变均大于7.16%;围压为0～0.3 MPa时,冻结砂卵石的长期强度在2～3 MPa,围压为0.6～1 MPa时,长期强度在3～4 MPa,冻结砂卵石的长期强度为瞬时强度的0.23～0.42倍;引入损伤体建立的蠕变损伤模型可以较好地反映冻结砂卵石的Ⅰ、Ⅱ类蠕变规律,可为工程设计及数值模拟提供理论基础。     

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。     

围压对锦屏深埋大理岩力学特性影响研究

岩石力学特性是正确评价工程岩体稳定性的基础.通过三轴压缩试验,研究了围压对锦屏深埋大理岩弹性模量、泊松比、临界破裂条件和剪胀角的影响规律,提出了弹塑脆性力学模型.结果表明:(1)大理岩弹性模量和泊松比均随围压呈指数增大规律,而剪胀角随围压增大呈指数减小规律;(2)岩石强度达到弹性极限后表现出近似理想塑性承载特性,当其塑性剪应变达到临界条件时产生脆性破坏,且临界塑性剪应变亦随围岩呈指数增大;(3)基于Mohr-Coulomb(M-C)强度准则的峰值强度和残余强度随围压增大而增大,当围压为73.95MPa时两者理论上相等,符合锦屏深埋大理岩脆-延转换特性.基于大理岩弹性和强度参数演变规律的全应力-应变曲线与三轴试验结果具有良好的一致性,可为类似工程岩体稳定性分析和支护结构优化设计提供依据.     

复杂应力状态下土料三轴渗透试验

为研究高土石坝坝体内土体单元在复杂应力状态下的渗透性能,在中型三轴仪上对同一土料场3种不同级配土料进行三轴渗透试验。试验围压分为5级(100 k Pa、400 k Pa、800 k Pa、1 200k Pa和2 000 k Pa),每级围压下分4种应力水平(0、0.2、0.4和0.8),当试样在初始应力状态下变形基本稳定后,采用常水头法测试试样的渗透系数。试验结果表明:级配是影响渗透系数的重要因素,相同应力条件下土料粉粒和黏粒含量越高,渗透系数越小;随围压和应力水平的提高,土料的渗透系数逐渐降低;粉粒和黏粒含量越低、大颗粒含量越高,围压对土料渗透系数的影响越显著;对于不同级配相同密实度试样,应力水平对渗透系数的影响程度基本一致。在分析渗透系数随围压和应力水平变化规律的基础上,建立了能描述复杂应力状态条件下土体渗透系数的经验公式。     

泾阳南塬阶地砂质粉土剪切特性试验研究

研究泾阳南塬阶地砂质粉土的剪切特性利用SLB-1A型应力应变控制式三轴蠕变剪切仪和SRS-150型环剪试验仪对饱和重塑砂质粉土分别进行不同围压下的三轴固结不排水剪切试验和控制法向应力、剪切速率的环剪试验。三轴固结不排水剪切试验研究表明:饱和砂质粉土在不同围压下均表现出严重的液化现象且随围压的增加液化势降低,并且得到了土体的孔隙水压力特征,稳定状态和强度参数特征。环剪试验研究表明:在控制剪切速率条件时,土体的峰值强度和残余强度随法向应力的增加而增加;在控制法向应力的条件下,在不同剪切速率条件下土体均表现出应变硬化的特征。砂质粉土饱和后力学强度急剧降低是该地区滑坡沿下垫层滑动的主要原因。     

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.     

不同卸荷路径下的页岩蠕变特性试验研究

地下硐室围岩流变现象显著,对硐室开挖与运营造成巨大威胁。以某深埋矿井巷道页岩为例,参照地下硐室实际开挖情况设计轴压与围压等比卸荷应力路径,同时开展恒轴压卸围压、等比卸荷两种应力路径下的蠕变试验,研究页岩在不同卸荷路径下的蠕变力学特性。试验发现：(1)页岩在两种卸荷路径下的蠕变特性十分明显,轴向应变量值始终高于侧向应变;(2)岩石在破坏应力水平下的轴向应变增长程度小于侧向应变,岩石的侧向扩容较为明显;(3)等比卸荷和恒轴压卸围压条件下的岩石长期强度分别为47.69MPa和62.85MPa,等比卸荷应力条件下岩石更易屈服破坏。研究成果可为地下硐室长期稳定性研究提供一定参考。     

基质吸力对原状非饱和黄土强度与变形特性的影响

为研究基质吸力和净围压对原状非饱和黄土的变形、强度特性的影响,采用非饱和土三轴仪对延安新区的原状Q_3黄土及原状Q_2黄土做了2组共18个三轴固结排水剪切试验.研究结果表明:基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响;原状Q_3黄土的偏应力-应变曲线随净围压的增大从理想弹塑性演变为硬化型,且试样在试验过程中一直处于剪缩状态;原状Q_2黄土的偏应力-应变曲线表现为软化型,吸力、净围压较小的试样,体变由剪缩逐渐变为剪胀;原状Q_2黄土的结构性比原状Q_3黄土更为显著;基质吸力对非饱和黄土的强度特性、起始杨氏模量有显著的影响;表观黏聚力c及参数k均随着吸力的增加而增大,而吸力对有效内摩擦角φ′及参数n的影响并不显著;提出考虑吸力和净围压影响的原状非饱和Q_3、Q_2黄土的切线杨氏模量的修正计算公式.     

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。     

基于三轴压缩数值试验的岩石损伤特性

为研究岩石的损伤特性,基于连续损伤力学理论和岩石微元强度服从Weibull分布函数,利用FLAC3D有限差分数值模拟软件,在围压分别为3,6,10 MPa的情况下,对岩石进行了不同变形参数(E和μ)和强度参数(c和φ)的常规三轴压缩数值试验研究。数值试验结果表明,(1)在加载初期,岩石出现负损伤(压密强化效应),随着轴向应力的增大,割线模量减小,泊松比增大;(2)黏聚力或内摩擦角或围压越大,岩石抗压强度越高,岩石变形过程中的塑性变形阶段越长;(3)损伤起点对应的轴向应变不随强度参数(c和φ)的变化而变化,但随计算初始弹性模量的增大而减小,随围压的增大而增大;(4)泊松比对岩石力学特性和损伤特性影响甚少,可忽略不计。     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。