花岗岩非定常蠕变及其参数确定

深部岩体工程的长期稳定性与围岩的时效变形特性有着紧密的联系,花岗岩在高地应力作用下会呈现出流变特性,采用TAW-2000岩石三轴试验机,对花岗岩试件在三轴压缩条件下进行了蠕变特性试验。通过德鲁克-普拉格屈服函数在西原体一维蠕变方程中引入强度参数C、φ值,推导出三维状态下轴向蠕变方程来描述花岗岩蠕变过程,并分析了变形参数泊松比和强度参数C、φ的变化规律。由三轴试验结果,用非线性最小二乘法求出了不同围压作用不同时刻下的流变参数,并根据参数分布规律得到了流变参数与应力和时间的关系,最后推出非定常三维非线性蠕变方程。研究表明:该模型能很好反映花岗岩流变参数随应力和时间的弱化规律、稳定蠕变和衰减蠕变过程的蠕变特性,为深部岩石工程的长期稳定性问题提供新的研究思路与研究方法。     

某工程库区滑坡蠕滑特性分析

某工程库区存在老滑坡体.为了研究滑坡体的滑动特性,对滑坡带土体进行了直剪试验、伺服剪试验和剪切流变试验,得到了长期强度和进入加速蠕变的临界强度.根据试验结果.判定该滑坡体的蠕变曲线为B型,表明该滑坡体属于有蠕滑的老滑坡体.以蠕变理论研究了在库水位稳定达到一年半的条件下,滑坡的减速蠕,变现象,分析了滑坡体的蠕滑机理,证明了滑坡体土的粘滞系数随着蠕滑过程而不断增大,论证了该滑坡体不具备从蠕滑转入剧滑的条件.     

干湿循环作用下吹填固化轻质土蠕变特性研究∗

采用新型固化技术对高含水率吹填土进行固化处理,通过三轴流变仪,考虑干湿循环次数、围压和初始静偏应力等因素研究其对吹填固化轻质土蠕变变形和抗剪强度指标的影响规律。试验结果表明：吹填固化轻质土具有密度小、质量轻及强度高等优点。在一定程度上,增大围压可有效缓解吹填固化轻质土的蠕变变形,而初始静偏应力对其影响较小,前7 次干湿循环对土体破坏应力的影响最大,而后基本保持不变。抗剪强度指标c、φ 值均随初始静偏应力的增加而逐渐降低,随干湿循环次数的增加呈现出先减小而后逐渐稳定的趋势,且前7 次干湿循环,二者均呈指数函数降低;7 次以后,变化均较小并逐渐稳定。基于c、φ 值与时间关系曲线,分别构建了不同偏应力作用下吹填固化轻质土c、φ 值的预测公式。根据蠕变曲线发展态势,通过回归分析,引入围压、初始静偏应力和干湿循环次数等因素,建立了吹填固化轻质土蠕变变形预测模型,并验证了其可行性。研究结果可为实际工程场地提供理论依据。     

基于不同结构强度软粘土长期强度特性研究

天然软粘土一般具有结构性,土的结构性反映其内部颗粒孔隙连结及空间组合,决定了土体的物理力学效应,是软粘土长期强度的重要内在影响因素。为研究结构性强弱不同对软粘土长期强度特性的影响,人工制备含水率相同而结构强度不同的土体,对其进行三轴不固结不排水蠕变试验。试验结果表明,软粘土由于存在结构性,其长期强度具有明显差异。通过对不同结构强度土体蠕变等时曲线进行分析,建立了考虑结构强度影响的软粘土长期强度经验模型。利用本文建立的经验模型,以结构屈服应变(1.9%)作为人工结构性软粘土蠕变变形的破坏准则,结果表明预测值与试验值较为吻合,验证了本文建立的考虑结构强度影响的土体长期强度预测关系式的合理性。     

膨胀土非线性蠕变模型研究

通过对南宁膨胀土的三轴压缩蠕变试验,研究了该膨胀土的非线性蠕变特性。基于流变力学和分数阶微积分理论的蠕变模型,构建了可反映膨胀土非线性流变特性的本构方程和蠕变方程。为了更好地描述膨胀土的非线性流变行为,通过引入考虑应力水平影响的类粘滞系数,进一步改进了软体元件。研究发现,膨胀土的非线性蠕变过程可以通过调整分数阶次β1和β2进行有效地模拟。研究结果表明,所建立的模型能完整地描述膨胀土的粘-弹-塑性变形,且模型分析结果与试验结果非常吻合,为计算膨胀土地基在长期荷载作用下的变形提供了理论依据,也对进一步探索膨胀土的应力松弛和长期强度等流变特性具有理论意义。     

吹填泥浆固化土蠕变及长期强度特性研究

利用GU型号粉末固化剂对天津临港工业区的吹填泥浆进行固化,对固化后的吹填泥浆固化土进行不同围压下的蠕变试验。结果表明,泥浆固化土蠕变历时曲线整体态势与一般结构性软土相似,但又有明显特征,其瞬时变形较大,衰减过程很短;蠕变等时曲线均存在明显拐点,拐点前后曲线刚度发生变化,表明固化土具有较强结构性且此点对应的应力为结构屈服应力。此外,t=0h的等时曲线离散性较强,其他时间点曲线具有明显一致性,表现出固化土结构性材料的特点。基于蠕变等时曲线,结合应力-应变的双曲线关系,引入时间参量t,建立了能够反映泥浆固化土蠕变特征的预测公式。同时,利用蠕变等时曲线,构建了泥浆固化土长期强度预测关系式,并求得固化土长期抗剪强度指标值。     

三峡千将坪滑坡滑动带土的非饱和蠕变模型

为定量研究降雨和库水位变动情况下的滑坡蠕滑变形特性,进行了三峡千将坪滑坡滑带土的非饱和三轴排水蠕变试验研究,得出了该滑带土在相同净围压,不同基质吸力下的一组蠕变曲线,在此基础上,类比Singh-Mitchell及Mesri蠕变模型的建模思想,并根据试验曲线自身的特点,给出了适合该滑动带土的非饱和蠕变模型,即剪应力-应变关系采用幂次函数,应变-时间关系采用双曲线函数。拟合结果表明,该模型能够较好地拟合试验曲线,为预测滑坡在库水或降雨作用下的长期稳定性提出了参考意见。     

高拱坝坝肩软弱结构面HM耦合效应试验研究

为定量揭示高拱坝工程蓄水运行后,坝肩岩体中软弱结构面在HM(Hydro-Mechanical)耦合作用下的弱化效应,结合锦屏一级高拱坝工程,现场采集该拱坝坝肩主要断层的原样,用重塑试样方法制备试件,在MTS岩石力学试验系统上开展不同水压(0,1,2,3,4 MPa)情况下的系列三轴压缩试验。结果表明:断层物质的强度参数具有显著的水压弱化效应,其中强度参数f随水压的升高弱化不大,各断层的平均弱化率不超过7%;强度参数c随水压的升高急剧减小,最大弱化率可达100%;考虑两者的综合效应抗剪强度τ,在3 MPa水压与10MPa正应力的工程条件下,各断层抗剪强度的平均弱化率约为25%。同时,建立了不同渗透水压力条件下结构面强度参数预测模型,并采用有效应力原理对结构面抗剪强度的弱化规律和机理进行初步分析。试验成果已应用于锦屏一级拱坝坝肩稳定性研究,研究方法可供多场耦合作用下软弱结构面的力学性能研究参考。     

冲刷作用下两种不同直径的单桩基础循环加载特性∗

海上风电大直径单桩基础长期承受来自环境效应的循环荷载以及海床的冲刷作用,冲刷条件下的水平受荷单桩的循环加载特性是海上风电桩基础设计关注的内容。开展了砂土中大直径和小直径单桩基础冲刷条件下长期循环加载的模型试验,探讨了冲刷深度和循环加载幅值对两种基础形式长期承载变形特性的影响。试验研究表明：砂土中循环加载提高了循环后的单桩承载力,其中小直径桩循环后的水平承载力提高更为显著。冲刷导致循环后的单桩承载力下降,随着冲刷深度增加该效果越明显。在循环加载初期,小直径桩残余累积变形的增加速度小于大直径桩。循环次数大于1 000次冲刷深度为2倍桩径条件下,小直径桩的累积变形趋于稳定,大直径桩的累积变形仍继续发展。通过在无量纲循环加载幅值参数中引入冲刷深度对承载力的影响,建立了冲刷条件下两种不同直径桩基的水平循环累积位移计算模型,适用于考虑冲刷影响的单桩长期水平循环累积变形预测。     

基于膨胀土蠕变试验的粘弹性模型对比研究

对广西南宁膨胀土进行了一系列室内压缩蠕变试验,得出了相应的蠕变曲线.运用K-H体模型和Bu体模型进行对比研究,确定了正常应力条件下非饱和南宁膨胀土的粘弹性模型和各流变常数,提出了正常应力条件下南宁膨胀土的本构方程及蠕变方程.为膨胀土工程设计和分析提供可靠的理论依据.     

岩石单轴压缩蠕变损伤本构模型

准确预测岩石蠕变行为对岩石力学与工程的研究具有非常重要的意义。首先对岩石蠕变机理及典型蠕变曲线进行了分析,其次通过在经典岩石蠕变模型如J体模型的基础上引入损伤理论及Kachanov损伤演化定律,进而建立了一个新的岩石蠕变损伤本构模型。第三,对模型参数的确定方法进行了详细的研究。最后,引用其他学者所开展的不同轴压下岩石单轴压缩蠕变试验对该模型的合理性进行了验证。可以发现本文所提出的模型不仅能够很好地预测岩石的稳定蠕变阶段,而且还能预测经典模型所不能反映的岩石加速蠕变变形。结果表明损伤理论能够很好地反映岩石的蠕变破坏机理,为了能够准确模拟岩石蠕变变形全过程,在经典的J体模型中引入损伤因子是很有必要的。     

基于修正RMR法的深部岩体工程围岩质量评价研究

深部岩体工程具有典型的高地应力、高地温和高孔隙水压等特点,传统的RMR法对评价其围岩质量存在不足之处。通过考虑高压地下水和高地温对岩体力学性质的影响分别引入地下水和地温弱化系数,结合连续性细化方法对传统的RMR法中的岩石单轴抗压强度、岩石质量指标和节理间距等三个评价指标的评分标准进行了修正,获得了三个评价指标值与其对应分值之间的非线性连续回归方程。然后,根据岩体中地应力的大小及岩石强度特征定义了岩体损伤破坏危险度系数,建立了该系数与岩体质量评分修正值之间的对应关系。由此获得了比较符合深部岩体工程围岩质量评价实际的修正RMR法,并用实例表明了其评价结果的合理有效性。     

考虑岩体各向异性强度的隧洞围岩稳定性分析

岩体中普遍存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度有着重要的影响。以具有较密集成组节理的岩体为研究对象,以Drucker-Prager准则和裂隙应力张开准则为基础,分别考虑岩块和节理面各自的物理力学性质,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法,并建立了岩体各向异性本构模型,用以描述节理岩体在强度方面的各向异性及其破坏特征。将该模型用于隧洞围岩稳定性分析工程中,研究表明,该模型可以较好地解释节理岩体围岩的破坏特征,与工程实践相符。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及深埋地下工程的设计与施工具有重要的指导意义。     

基于细观尺度的岩体开挖渐进破坏模拟研究

岩土渐进式地质灾害是当前岩土工程领域的重要研究课题。基于颗粒离散元法导出颗粒连接损伤模型,建立岩石细观离散模型,进行不同颗粒参数条件下的岩石单轴受压数值模拟。结果表明,岩石细观颗粒间相互黏结力是影响颗粒黏结破坏的主要因素;颗粒间摩擦系数是影响宏观强度的敏感参数,单轴受压试验形成接近45°剪切带,数值模拟与试验结果较好吻合,验证了该模型的合理性。建立岩体开挖细观离散模型,模拟不同地层条件下的开挖过程,对比分析了开挖未支护和支护情况下检测点的沉降差异。研究发现,未支护支撑下,深层开挖时,检测点的位移沉降较浅层开挖时明显;支护可以有效降低围岩变形,防止拉应力产生。本文从细观上揭示岩体开挖条件下渐进式破坏过程形成机制,为更深入研究岩土力学特性和滑动断裂的形成与发展等渐进破坏过程提供了理论和技术支撑。     

油页岩地下开采巷道围岩的流变特性及工程应用

为研究油页岩巷道围岩的流变特性,采用岩土SJ-1B三轴蠕变仪对油页岩进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,建立了油页岩非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程,以吉林桦甸油页岩矿一井运输大巷为工程背景,分析了围岩的应力场和位移场,并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。研究结果表明,油页岩蠕变具有非线性,控制油页岩巷道围岩过量变形的根本途径是改变围岩的应力状态,以及适当提高锚杆、锚索的初始预应力。本文为有效控制油页岩开采时巷道围岩的有害变形提供了理论依据。     

非饱和黄土土水特征及其强度指标

以多种理论模型对非饱和土三轴仪实测数据进行了拟合评价;并在此基础上,引入非饱和土最新理论,反演和解析了土体脱湿与吸湿条件下的边界土-水特征曲线、渗透系数函数以及吸应力特征曲线;进一步从强度本构入手,结合不同基质吸力的三轴剪切试验结果,探究了基于吸应力的强度特性。研究结果表明:非饱和土三轴仪所测数据点及其三种模型拟合曲线均落在水力边界曲线(SWCC、HCF、SSCC)范围之内,表明了试验结果的正确性和合理性,以及非饱和土中水分的能量和数量的关系因路径差异而具可变性,即基质吸力不再是含水率的单值函数,而是一个范围体系;同时采用吸应力特征曲线的统一有效应力原理来描述土体在非饱和条件下的抗剪强度性质是合理的、普遍有效的,并且验证了土体处于饱和或者无基质吸力时,吸应力不为零,此时的吸应力对应的是土体在剪切破坏时的表观粘聚力这一结论。     

考虑岩石蠕变与损伤的直立层状边坡倾倒模型

倾倒破坏是直立层状岩质边坡失稳破坏的模式之一,目前仅研究了岩石分别为线弹性体、损伤体或蠕变体时在自重作用下边坡倾倒临界高度的计算方法,而实际工程中,岩体则往往同时具有损伤及蠕变特性。为此,针对软岩中同时存在的损伤与蠕变特性,在经典欧拉压杆模型的基础上分别假定岩石为Maxwell蠕变体、基于Weibull分布的统计损伤体及损伤与蠕变共存的复合体等三种模型,获得了相应的边坡倾倒临界高度计算方法,并讨论了相关参数对计算结果的影响。研究结果表明,在直立层状边坡倾倒计算中,应同时考虑细观损伤与蠕变对计算结果的影响,当考虑岩石蠕变性时,边坡倾倒临界高度随时间增加近似呈指数规律下降。     

考虑刚度劣化的剪切带-围岩系统稳定性分析

峰后的刚度劣化现象(渐进损伤)在多种煤、岩石、混凝土、土和砂子的循环加载实验中已被观察到。本文考虑了剪切带及带外弹性体的不同的刚度劣化现象,推导了剪切带(断层)-弹性围岩系统在直剪条件下的应力—变形曲线。剪切带的刚度劣化不改变剪切带的总变形,但使剪切带的弹性变形增加、塑性变形降低。考虑弹性体的刚度劣化现象之后,系统的峰后应力—变形曲线呈现非线性特征,这不同于过去忽略刚度劣化现象的结果。在应变软化过程中,剪切带之外弹性体的刚度劣化,使系统的峰后响应由负斜率(Ⅰ类行为)变为正斜率(Ⅱ类变形行为)。较高的弹性体尺寸、较高的脆性、较小的内部长度、较低的围岩初始弹性模量、较高的抗剪强度、较低的残余剪切应力及较高的残余剪切弹性模量,使系统的峰后响应变得陡峭,甚至发生Ⅱ类行为,使系统的失稳(岩爆、冲击地压、采矿诱发地震或矿震)易于发生。     

岩土破坏过程声发射特征的实验研究

通过对重庆黄泥包滑坡处采集的岩土试样进行单轴压缩和拉伸实验,测试了岩土破坏过程的声发射信号,得出了岩土破坏过程声发射的基本特征:在单轴压缩实验中,声发射能量信号随着压力的增加呈现连续增加的趋势,在主破裂时刻有较强声发射能量信号产生;在蠕变实验中,AE在压力上升阶段信号增强,在恒定压力下,AE信号有所减弱,整体趋势较为平缓;在拉伸实验中,岩土的破坏方式呈主震型和群震型;AE信号能够反映岩土受载过程;岩土的抗压强度与声发射能量最大值呈正相关性;加载速率越大,声发射能量最大值也越大。