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).     

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。     

热-力耦合作用下花岗岩蠕变损伤模型

热-力耦合作用下的岩石蠕变行为对深部地下工程、高放射性废料处置工程影响显著。基于20～300℃下的花岗岩蠕变试验,分析温度对瞬时应变和蠕变应变速率的影响,由此认为温度对花岗岩瞬时弹性模量造成瞬时损伤并促进后续蠕变损伤过程,从而定义瞬时、蠕变热损伤变量。构建广义Kelvin热损伤模型和黏塑性热损伤元件,采用Heard指数型模型描述花岗岩稳态蠕变行为,串联后得到一个新的热-力耦合作用下的花岗岩蠕变损伤模型。给出模型参数求解方法,分析瞬时、蠕变热损伤变量变化规律,通过辨识三种花岗岩的蠕变试验数据,验证所建模型的合理性和适用性。研究成果为热-力耦合作用下花岗岩蠕变行为模拟及深部地下工程、高放射性废料处置工程长期稳定性研究提供一定参考。     

深部花岗岩50℃卸荷蠕变试验研究

为研究深部花岗岩在温度作用下的卸荷蠕变特性,采用岩石全自动三轴流变仪开展了花岗岩在温度50℃、围压10、20、30 MPa条件下的卸荷蠕变试验,分析了花岗岩高温卸荷蠕变特征、宏观破坏模式和微细观损伤破坏机理.试验结果表明:在温度效应条件下,花岗岩高压卸荷蠕变会产生较大变形;50℃卸荷蠕变条件下,花岗岩的蠕变性能随着围压的卸载而呈指数变化,初始卸荷围压越高,花岗岩越早出现蠕变变形;花岗岩高温卸荷蠕变破坏模式主要为共轭剪切破坏,蠕变作用促使岩石内部损伤裂隙扩展并形成裂隙面而失效破坏;岩石高温卸荷蠕变破坏强度约为常温三轴强度的1/3,其黏聚力和内摩擦角也比常规指标减少30%以上.     

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。     

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.     

沥青混合料小梁蠕变试验与数值分析

蠕变性能是评价沥青混合料的重要指标之一.利用三分点小梁弯曲试验对沥青混合料的蠕变性能进行研究,探讨加载水平对蠕变曲线的影响.通过对试验蠕变曲线的拟合,获取沥青混合料的粘弹性参数,利用有限元方法对沥青混合料小梁的弯曲蠕变试验进行数值模拟,得出不同温度及不同荷载条件下沥青混合料小梁蠕变规律,并与试验结果进行比较.研究表明,同一温度下,随着应力水平的增大,永久变形会随之增大,且稳定期应变发展速率也会增大;粘弹性数值分析结果与试验结果吻合良好,可以反映沥青混合料蠕变前2个阶段的变形特征.     

基于最小能耗原理的花岗岩蠕变损伤分析

为了研究花岗岩蠕变损伤特性,采用MTS815.02岩石力学测试系统对花岗岩试样进行了三轴加载试验和分级加载蠕变试验,基于最小耗能原理、广义胡克定律和应变等效原理建立了弹性损伤方程和改进了非线性损伤蠕变模型,分析了花岗岩损伤变量与泊松比之间的变化规律和蠕变损伤过程.研究结果表明基于能量原理并结合任意阶段应力应变状态的损伤方程更合理地描述了岩石损伤发展过程.在耗能过程中损伤泊松比对岩石损伤起重要作用,损伤变量随着泊松比的增加而非线性增加,并逐渐趋于稳定,改进模型计算结果与试验曲线相吻合,较好地描述了岩石衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变的全过程;在岩石蠕变前期损伤速率较为平缓,进入加速蠕变阶段后随着微裂纹在强度弱化区汇聚,损伤速率直线升高且损伤变量突然增大.     

不同加载条件下混凝土冻融循环能量特征

通过对冻融循环后的多组混凝土试样进行单轴压缩以及3点弯曲强度测定,从损伤和能量的角度分析了不同冻融循环次数下试样的破损特征以及能量耗散的变化特点,并由此分析了冻融环境下混凝土材料的损伤劣化机理.研究表明:单轴压缩试验条件下,试样断裂需要吸收外载做功产生的能量会随着冻融循环次数的增加而逐渐降低;3点弯曲试验条件下,试样断裂需要吸收能量较少,断裂能随着冻融循环次数的增加而显著降低.显著的能量耗散使得混凝土材料逐步损伤并最终形成宏观破裂而强度整体丧失,为深入研究冻融环境下混凝土材料的力学性能和断裂特征奠定了理论基础.     

考虑剪应力水平和土体干密度影响的锚-土界面剪切蠕变模型

岩土锚固工程中,土体密实度影响着锚-土界面剪切蠕变特性.为研究不同干密度土层中灌浆锚杆锚固体-红土界面的剪切蠕变特性,研制了一套钻孔成孔的锚固单元体试样制作装置,制备了不同干密度的锚固单元体试样.利用自行设计制作的锚-土界面剪切蠕变特性测试系统对试样进行分级加载,并按照陈宗基等提出的蠕变曲线处理方法,得到了不同干密度下锚-土界面分别加载下的蠕变曲线,再采用等时曲线法获得了不同干密度下锚-土界面长期抗剪强度.选取不同干密度试样中部分应力水平下的蠕变曲线,分别采用双曲线模型对其等时曲线进行回归分析并建立出相应的蠕变模型,再通过建立蠕变模型参数与土体干密度的经验关系,得到可同时考虑剪应力水平和土体干密度影响的锚-土界面剪切蠕变模型.结果表明,本文模型对已参与和未参与建模的蠕变曲线的预测精度均较高.     

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。研究结果表明：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。     

冻融循环作用后花岗岩断裂性能的试验研究

对含有不同初始损伤花岗岩的三点弯曲断裂性能展开冻融循环试验研究,分析了冻融后花岗岩的断裂破坏机理;对试样断裂面的形貌进行了重构,并分析了试样断裂特性随其破坏面的分形维数的变化规律。结果表明:冻融循环作用下,试样的起裂荷载、峰值荷载、断裂韧度有不同程度的劣化,其劣化的程度又随试样初始缝高比的增大而加剧;随着冻融循环次数的增大,试样裂纹的扩展机理由遵循最大能量释放原则转变为遵循最小耗能原理。试样断裂面的分形维数与冻融循环次数呈较好的指数函数递增关系。峰值荷载损伤因子、断裂韧度损伤因子与分形维数变量有着较为显著的幂函数关系;峰值荷载损伤因子、断裂能损伤因子与粗糙度系数增量呈较好的幂函数关系。     

冻融循环作用下城市污泥固化土长期力学性能

采用自主研发的新型固化剂对城市污泥进行固化处理，通过对污泥固化土进行冻融循环作用下的不固结不排水蠕变试验，探讨其在气候环境影响下的长期变形和强度发展特性.试验结果表明，污泥固化土抗剪强度随冻融循环次数的增加呈现先明显降低后趋于稳定的趋势.当施加偏应力小于污泥固化土结构屈服应力时，其蠕变历时曲线呈现衰减型蠕变形态，各级应力水平下的曲线整体态势相近；当偏应力水平达到破坏应力时，蠕变变形急剧增长.在其他条件相同的情况下，冻融温度越低，蠕变变形的速率越快，每级蠕变稳定时的变形量也越大.污泥固化土等时曲线具有显著的屈服点，t=0h时刻等时曲线与其他时刻曲线簇相比存在明显的离散现象，在此基础上，基于应力-应变对数曲线和等时曲线拐点法，先后建立了能够考虑冻融循环作用影响的污泥固化土蠕变模型及其长期强度预测公式，可为相关工程实践提供参考.     

低应力条件下水对斜长岩蠕变性能的影响

利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪,采用分级增量循环加、卸载方式,对金川有色金属公司Ⅱ矿区斜长岩在风干和饱和水2种条件下进行单轴压缩蠕变试验,获得相应的蠕变试验曲线。以试验结果为依据,探讨饱和水对斜长岩蠕变特性的影响。试验结果表明:在同一应力下,饱和水试件的蠕变曲线及蠕变速率曲线均位于干燥试样相应曲线的上方,即在相同载荷作用下,饱和水试件产生相应的变形要大,说明水能加速变形,且饱和状态的比干燥状态蠕变速率达到稳定阶段所经历的时间较长,这与实际结果相一致。     

干湿循环对炭质泥岩蠕变及损伤特性的影响

为揭示炭质泥岩库岸边坡的时效变形和损伤特性,对经历不同干湿循环次数的炭质泥岩试样进行低场核磁共振和三轴压缩流变试验,研究炭质泥岩孔隙演化特征和蠕变特性;在此基础上,基于损伤理论和Lemaitre应变等效原理,建立考虑干湿循环、轴压和时间因素耦合影响的蠕变损伤方程 . 结果表明：随干湿循环次数增加,炭质泥岩孔隙率增加,孔隙结构由小孔隙向大孔隙演变,瞬时应变和蠕变量增大 . 建立的损伤方程能较好地表征干湿循环次数、轴压和时间对炭质泥岩损伤演化的影响;随干湿循环次数增加,炭质泥岩损伤增大,损伤时间效应增强;轴压增大,损伤增长的速率加快,加速损伤的持续时间增长.     

热损伤花岗岩三轴压缩蠕变破坏声发射及损伤演化特征

为探究深部高温高压环境对工程围岩蠕变性质的影响,开展了不同程度热损伤花岗岩的三轴分级蠕变加载试验,分析其声发射活动及损伤演化特征。研究结果表明：在分级蠕变加载中,当轴向应力达到1.50～1.65倍损伤应力σ_cd后,花岗岩损伤演化加快,达到(1.65～1.80)σ_cd后,发生加速蠕变破坏;在同一级加载中,随热处理温度升高,声发射活动在减速蠕变和稳态蠕变阶段减弱,在加速蠕变阶段增强;围压效应可以减弱热损伤对花岗岩蠕变特性的影响,围压与热损伤的耦合效应可以抑制蠕变过程的裂纹扩展,但当轴向应力增大、岩石失稳后热损伤对蠕变破坏加剧起控制作用;在分级加载过程中,随热处理温度升高,损伤变量的增长趋势先减缓后加快,600℃热处理试样损伤发展最快,常温试样次之,150℃和300℃热处理试样最慢;蠕变过程中剪切裂纹占比在35%～60%,随分级加载应力增大,微裂纹类型向剪切型转化;热损伤花岗岩矿物晶粒内和晶界裂纹有不同程度的发育,导致剪切裂纹占比随热处理温度升高而先减小后增大。     

深部三场环境下页岩蠕变模型的建立与试验

 针对深部环境的复杂性,建立了温度-应力-化学三场共同作用下页岩试样蠕变模型,并探讨了其作用机制。研究表明：页岩在复杂环境下蠕变特性的温度效应和pH 值化学效应明显,同一级应力水平下温度越高或者化学酸碱性越强,页岩的瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率越大,达到稳态蠕变阶段的时间也明显延长。pH 值对蠕变特性影响程度比温度的影响更明显。采用非线性元件代替常规线性元件,得到了页岩在深部环境下非线性黏弹塑性蠕变模型,该模型符合深部实际情况,能较好地模拟页岩在深部复杂环境下蠕变,从而求出模型参数。通过试验数据和拟合曲线吻合情况,验证了本模型的正确性。     

极端气候条件下南京附近黏土冻融强度试验

针对极端气候下南方地区黏土的冻融强度与含水率、最低气温和冻融循环次数密切相关的特点，对不同初始含水率的黏土在不同冻结箱温度下经历不同冻融循环次数后的试样进行不固结不排水三轴压缩试验。试验结果表明:同一冻结箱内温度下，冻融试样在开始1～4次冻融循环期间黏聚力和内摩擦角变化显著，随着冻融循环次数的增加，黏聚力减小，内摩擦角增加；同一冻融循环次数下，随着冻结箱内温度降低，冻融试样黏聚力增加，内摩擦角减小。总结了冻融循环冻土损伤的特征。     

干/湿状态下HFRP搭接接头的剪切蠕变试验及分数阶导数流变模型

搭接是纤维增强复合材料(FRP)的重要连接方式,长期性能是该技术实际工程应用的关键.对不同恒定应力和湿度状态下混杂FRP(HFRP)双搭接接头的剪切蠕变性能进行了试验研究.试验观测到了明显的蠕变变形,测定了蠕变与恒定应力及湿度的关系.进一步采用分数阶导数流变模型对试件的蠕变进行模拟.根据模型所包含的Mittag-Leffler函数的性质采用了改进的Powell优化算法,并确定了合理的初值,结合试验曲线拟合得到模型各参数值.根据搭接接头蠕变的特点,在经典分数阶流变模型中引入了表征应力水平对搭接接头非线性蠕变特性影响的函数,提出了一种改进的分数阶蠕变柔量计算公式.研究结果表明,该流变模型能够采用简单的表达形式和较少的参数对试件的非线性蠕变行为进行拟合,在30%~70%恒定应力范围内准确模拟了双剪搭接接头的蠕变曲线.     

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。