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。     

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。     

不同应力路径下卸围压流变试验分析及模型辨识

以大岗山水电站坝基的辉绿岩为研究对象,进行σ1恒定卸围压和σ1-σ3恒定卸围压流变试验,分析2种不同应力路径下辉绿岩的流变变形特征.引入屈服接近度指标来评价卸围压流变过程中不同三向应力状态下岩样临近屈服破坏的程度,并以此作为试验曲线中等速蠕变和加速蠕变的区分标准.最后对Burgers模型进行参数变异处理.研究结果表明:在2种方式下和在卸围压过程中,岩样的横向变形都表现为侧向膨胀,但轴向变形规律并不相同:σ1恒定时轴向变形一直轴向压缩,而σ1-σ3恒定时先是有微小增大再逐渐转变为轴向压缩.这说明随着围压的不断卸载,岩体变形逐渐由弹性向塑性转变并最终破裂,线弹性理论已不再适用.加速蠕变阶段的串联黏滞系数出现了非线性交化,以此来描述加速蠕变.参数变异的Burgers模型可以描述岩体的减速、等速和加速蠕变阶段,拟合结果与试验结果吻合较好.     

周期冲击扰动下粉砂岩单轴蠕变特性研究

采用改进岩石蠕变扰动试验装置对粉砂岩试件开展施加周期冲击扰动下单轴蠕变试验,研究周期冲击扰动下粉砂岩蠕变变形、蠕变速率及破坏特征.结果表明:冲击扰动会引起蠕变曲线产生新的波动,随冲击扰动次数增加,粉砂岩内部累积变形逐渐增加,进入稳定阶段时间明显缩短,进入加速蠕变阶段轴向应力阈值显著降低;在周期扰动作用下,粉砂岩蠕变占比与轴向应力呈指数关系,蠕变速率稳定值提高;冲击扰动加速粉砂岩内部裂隙发育,粉砂岩试件破坏形式更趋于脆性破坏.基于Mohr-coulomb准则,提出一种与时间有关的非线性黏滞体并引入损伤因子改进Burgers模型,建立粉砂岩蠕变扰动理论模型;该模型能很好描述周期冲击扰动下粉砂岩蠕变特性,可为深入研究冲击扰动下岩石蠕变失稳破坏提供参考.     

考虑中间主应力的粉砂岩侧向卸荷力学特性试验研究

利用TRW-3000型岩石真三轴试验系统开展粉砂岩真三轴侧向卸荷试验,研究不同中间主应力系数b条件下粉砂岩卸荷破坏、变形特征,并基于Mogi-Coulomb强度准则,探讨岩体强度特征。研究结果表明:在真三轴侧向卸荷应力条件下,随着中间主应力增大,粉砂岩试样卸荷破坏模式由剪切-张拉复合破坏转变为板裂破坏,剪切破断角随b增大呈线性增大;应力-应变曲线有较明显的阶段性,随着中间主应力增大,破坏时最大主应变ε1、最小主应变ε3增大,体积应变εV减小,扩容趋势更加明显;在卸荷过程中,变形模量随卸荷量增加呈负指数关系降低;采用Mogi-Coulomb准则对真三轴侧向卸荷试验强度进行拟合分析,回归方程满足显著性水平α=0.01的F检验要求,Mogi-Coulomb强度准则能够较好地用于描述不同中间主应力条件下的粉砂岩侧向卸荷强度关系。     

海陆交互相黏性土蠕变试验与经验模型研究

海陆交互相沉积土是在复杂的沉积环境下形成的,其力学性质与其他沉积土有所区别.针对大连海陆交互相黏性土原状样,采用三轴排水蠕变试验对黏性土的蠕变特性进行了研究,分析了轴向应变、体应变、轴向应变速率与蠕变时间、偏应力间的关系.基于蠕变试验结果,耦合Mesri模型与三次多项式,建立了可以描述土体衰减蠕变与加速蠕变过程的经验模型.结果表明,该地区土体具有典型的非线性蠕变特性,随着偏应力的增加,非线性蠕变特性愈加明显.在低偏应力作用下,蠕变过程表现出衰减蠕变与剪缩特性;在破坏偏应力下表现出加速蠕变与剪缩、剪胀交替特性.轴向应变速率随着蠕变时间的增加而减小,随着偏应力的增大而增大,而偏应力对m值(曲线斜率)的影响较小.试验结果与模型计算结果吻合较好,表明新建模型适用于描述该地区海陆交互相黏性土的蠕变特性.     

红砂岩多级卸荷蠕变试验及长期强度分析

在实际基坑和硐室的开挖过程中,岩体多处于环向卸荷的应力状态.不同于以往常规路径下的岩石蠕变特性研究,采用全自动岩石多场耦合三轴伺服仪,以红砂岩为试验对象着重研究了岩石环向卸荷路径下的蠕变力学特性.试验结果表明,与常规路径下的蠕变试验相似,岩石环向卸荷路径下的蠕变过程,同样由衰减蠕变到稳态蠕变再到非线性加速蠕变这一典型岩石流变三阶段所组成.随着围压的逐级卸载,轴向或者侧向蠕变变形,蠕变变形相对该级荷载下的瞬时变形的百分比,蠕变变形占总变形的比例,都整体呈现增大的趋势.侧向的蠕变速率、瞬时变形、蠕变变形在这一过程中逐渐超过轴向相应值,并最终达到轴向的2～3倍,出现明显的侧向扩容.基于经典弹塑性理论公式,绘制了塑性应变与偏应力水平的关系曲线,采用多种不同方式确定并比较了红砂岩卸荷蠕变过程中的长期强度.     

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.     

应力路径对粉土力学特性的影响试验

应力路径是影响土体强度和变形特性的重要因素,本文利用GDSTAS全自动三轴仪对苏北地区的粉土开展常规三轴压缩、减压三轴压缩、等压压缩3种应力路径的力学特性试验。结果表明:应力路径对粉土应力-应变特性影响显著,常规三轴压缩应力路径下应力-应变特性因围压大小而不同,等压压缩应力路径和减压压缩应力路径下粉土应力-应变特性都为应变软化型,但软化程度不同;不同应力路径下粉土的应力-应变特性可采用应变软化模型和双曲线模型进行拟合,拟合结果较好;相同围压下,常规三轴压缩应力路径下粉土强度最大,轴向应变的变化速率最快,等压压缩应力路径粉土强度次之,减压压缩应力路径强度最低,轴向应变的变化速率最慢。研究结果能为工程中不同应力路径下粉土地基设计计算提供较为可靠的力学指标。     

非饱和泥质粉砂岩蠕变特性及其模型

以南宁第三系泥质粉砂软岩为研究对象,开展非饱和三轴压缩蠕变试验,分析含水率对岩石蠕变特性的影响;再在既有五元件蠕变模型中,引入非线性黏塑性元件,构建泥质粉砂岩的七元件非饱和压缩蠕变模型,分析相关蠕变参数的变化规律。结果表明,随着含水率增加,泥质粉砂岩的蠕变变形和蠕变速率显著增加,且蠕变长期强度明显降低,表明水对泥质粉砂岩蠕变变形影响显著;新建七元件模型较好地拟合了非饱和泥质粉砂岩全过程蠕变曲线。     

非饱和土蠕变力学特性试验及分段模拟

水电工程中库岸边坡流变效应显著,以库岸边坡非饱和粉质黏土为例,描述其蠕变力学行为,开展基质吸力控制条件下的三轴压缩固结排水蠕变试验。试验表明:①非饱和粉质黏土在不同应力水平下蠕变曲线形态较为相似,在同一应力水平下,土样的瞬时应变都大于蠕变应变;②随着应力水平的提升,土样的瞬时应变和蠕变应变都呈递增趋势,且瞬时应变的增长幅度大于蠕变应变;③在不同基质吸力条件下,非饱和等时偏应力-应变关系均表现出较为明显的非线性特征。基于试验成果,分析粉质黏土蠕变变形特点,提出分段模拟的思路来描述瞬时应变和蠕变应变,分别构建考虑基质吸力的弹性体和分数阶黏滞体,由此建立可考虑基质吸力的非饱和粉质黏土蠕变本构模型。通过所建模型对本文和相关文献中非饱和粉质黏土蠕变数据进行辨识,对比分析试验曲线和预测曲线,证明所建模型的合理性和适用性。研究成果为库岸边坡长期稳定性研究提供一定参考。     

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及能耗规律

采用分离式霍普金森(SHPB)压杆装置对砂岩进行动态冲击压缩试验,通过不同的加载气压实现不同应变率条件下对煤矿区的砂岩进行冲击压缩,以此来分析煤矿区砂岩的动力学特性以及能量损耗规律。根据试验结果分析可得,应力-应变曲线反映出砂岩的动态弹性模量及峰值应力都表现出明显的应变率效应,动态压缩强度表现出很强的应变率效应,两者之间呈现线性关系;在动态冲击压缩中,动态抗压强度高于静态抗压强度,通过动态强度增长因子DIF可以反映岩石在动载条件下的强度指标;随着应变率的增大,砂岩试样单位体积吸收破碎耗能增加,试样破坏更严重,破坏程度与单位体积破碎耗能之间形成很好的对应关系。同时借助SEM扫描电镜分析冲击压缩后试样微观条件下的破坏模式,结合宏观上的破坏形态共同分析岩石的损伤特性。     

高围压高孔隙水压作用下岩石蠕变特性

对重庆某地深部砂岩进行高围压和高孔隙水压作用下分级加载蠕变试验。结果表明:加载初期的一较短时间内,孔隙水压力在一定程度上延缓轴向变形,随后整个加载过程表现为增强岩石轴向变形。相同围压下,有孔隙水压和无孔隙水压时岩石蠕变可能存在一个相同的应力强度比阀值,当应力强度比超过该阀值后便会出现加速蠕变破坏。选取三元件广义Kelvin模型描述高围压高孔隙水压作用下加载应力低于屈服应力σs时的岩石蠕变特性,效果较为理想。基于高围压高孔隙水压作用下砂岩加速蠕变试验曲线特性,采用拟合、类比的方法引入一个二元件黏塑性模型,将其与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的可以描述岩石加速蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。采用基于Quasi-Newton非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对高围压高孔隙水作用下岩石加速蠕变全过程曲线进行辨识,对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,验证非线性黏弹塑性模型的正确性。     

深部砂岩动态冲击破坏的力学特性研究

为了研究深部砂岩在热-水-力耦合作用下的动力学特性,利用自主研发的热-水-力耦合三轴岩土体动态冲击力学试验系统,分析了动态冲击下深部砂岩的力学参数并从能量的角度描述其破坏形态。研究结果表明:在具有主动围压、轴压、渗透水压及温度的耦合作用下,冲击气压增大时,深部砂岩的应力-应变曲线的峰值应力随之增大;深部砂岩的峰值应力与应变率变化表现出明显的正相关性,具体表现为随着应变率的增大,峰值应力不断增大;随着冲击气压的增大,破碎程度不断加大,深部砂岩的破坏形态向压剪破坏过渡和发展,岩石试件的破坏形态呈脆性向延性转变的趋势。试验结果可以为深部砂岩在实际爆破工程中提供参数支撑。     

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.     

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.     

煤矿砂岩SHPB动态压缩力学性能试验与分析

为研究煤矿砂岩冲击载荷作用下的动态力学特性,利用分离式Hopkinson压杆对皖北矿区祁东煤矿的砂岩试件进行冲击压缩试验,得到了试件应变率变化时程曲线和动态应力-应变曲线。试验结果表明:采用3种冲击气压加载,入射波形均近似为梯形波;试件应变率随冲击气压提高而增大,应变率曲线中有一段近似恒应变率平台,可实现恒应变率加载;试件动态破坏形态在低应变率下为径向外围剥落式拉伸破坏模式,在高应变率下则为颗粒状粉碎破坏模式。随应变率增加,碎块尺寸减小且碎块数量增加,具有明显的应变率效应;试件动态抗压强度与平均应变率近似乘幂关系,显示出较强的相关性。     

基于围压增量的损伤砂岩三轴蠕变试验

为研究岩石峰后轴向与径向蠕变特性,采用MTS815岩石力学试验系统,进行了三轴压缩下红砂岩峰后蠕变试验,获取了不同性态的峰后轴向与径向蠕变曲线,探讨了岩石峰后轴向与径向蠕变特征,研究了损伤程度、围压增量对峰后轴向与径向蠕变特性的影响规律.试验结果表明:岩石峰后轴向与径向蠕变曲线主要由等速蠕变阶段和加速蠕变阶段组成,峰后径向蠕变特征相比轴向蠕变特征更显著;轴向和径向蠕变量与损伤程度呈正相关,径向蠕变相比轴向蠕变对损伤程度的敏感性更高,损伤程度的变化对径向蠕变的影响程度更强;施加围压增量,轴向与径向蠕变速率大大降低,蠕变失稳时间延长;围压增量对径向蠕变的影响明显强于轴向蠕变,工程实践中应重点控制围岩的径向变形.     

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。     

变形速率对7075铝合金流变应力的影响

采用Gleeble-1500热模拟机对7075铝合金触变高温压缩变形过程中的变形特性进行研究,分析该合金的应变速率与流变应力之间的关系,采用线性回归法建立了流变模型.结果表明：保温时间1 min、变形温度350～450℃、应变速率0.01～1.00s^-1的条件下,应力曲线变化可分为加工硬化段、平稳变化段和稳定变化段三个阶段.随着应变速率的增加,稳态流变应力增大;应变速率和流变应力之间基本满足指数关系,该合金高温塑性变形过程是一种高温蠕变的热激活过程.