砂岩冻结/解冻过程蠕变特性研究

寒区岩体长期经受荷载与冻融的共同作用,若不考虑冻融过程对其长期力学行为的影响,将会给寒区工程建设和安全运营带来重大的安全隐患。为此,以寒区某边坡工程砂岩为研究对象,通过开展不同冻结温度下的冻结/解冻过程单轴分级加载蠕变试验,使岩石在同一应力状态下处于冻结和解冻过程,真实再现寒区工程岩体长期力学响应特征。以此研究冻结/解冻过程对岩体长期力学特性的影响,并对其蠕应变、稳态蠕变速率及长期强度等宏观力学指标进行量化分析。结果表明:(1)砂岩冻结过程先后经历冷缩阶段、冻胀阶段和稳态蠕变阶段,解冻过程只经历融缩阶段和稳态蠕变阶段;冷缩阶段和融缩阶段砂岩发生收缩变形,冻胀阶段则发生膨胀变形;(2)冻结/解冻温度为-5℃/25℃、-10℃/25℃、-15℃/25℃时,砂岩蠕应变较常温状态下蠕应变增幅范围分别为102%~193%、81%~126%、105%~194%,解冻后稳态蠕变速率较冻结前最大增长3.65倍、4.31倍、5.56倍,冻结/解冻过程蠕变砂岩的长期强度是常温状态下长期强度的96.33%、88.52%、75.44%;(3)应力对冷缩、冻胀变形的产生起抑制作用而对融缩变形的产生起促进作用;冻结温度越低,冻胀变形和解冻后融缩变形越明显。文章提出的将蠕变与冻融过程相结合的试验方法能较为真实地反映工程实际,该方法为寒区岩体工程长期稳定性评价提供新途径。

干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验

针对兰渝铁路二期木寨岭隧道炭质板岩富含裂隙水,遇水易软化的工程特性问题,开展了干燥和饱水状态下炭质板岩基本力学特性的试验研究,包括三轴压缩、巴西劈裂和楔形剪切试验。结果表明:炭质板岩饱水前后的应力峰值、应变峰值以及弹性模量均随围压的提高而增大,泊松比随围压的提高有所降低,并且干燥试样强度和弹性模量对围压的敏感度要高于饱水试样。相对于干燥岩石,饱水状态下岩石的强度峰值降低,而应变峰值提高,并根据楔形剪切试验结果,得到了饱水前后岩石的抗剪强度包络线,反映了水对炭质板岩强度和变形特性具有显著的影响。

分级加载下炭质板岩蠕变特性的试验研究

蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,与岩石工程的长期稳定和安全密切相关。为了解炭质板岩的蠕变特性,采用RLW-1000岩石流变试验机进行了单轴压缩蠕变试验。选用广义Kelvin模型、Burgers模型及FC元件组合模型进行了参数拟合分析。分析表明:板岩在低应力水平下,FC元件组合模型拟合效果较好,而在高应力水平下Burgers模型拟合结果优于其余2种模型。总体来讲,不论应力水平的高低,Burgers模型能够较好地反映炭质板岩的蠕变特性。同时,对不同应力水平下的蠕变曲线进行参数拟合,发现黏滞系数在较低应力水平下随时间而增大,而在较高加载应力下随时间显著减小,表现为应力水平和时间的函数,研究成果可为进一步了解该岩石的蠕变特性提供模型参数和设计依据。

一种新的岩石非线性黏弹塑性流变模型

借鉴经典元件组合模型的建模思路,将含分数阶微积分的软体元件与弹簧元件串联,结合一个幂函数黏塑性体,提出一种新的四元件非线性黏弹塑性流变模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程,得到在不同应力条件下的蠕变曲线。可以发现,岩石稳定蠕变阶段的非线性渐变过程和加速蠕变阶段蠕变速率的快慢程度可通过调整蠕变参数进行有效地模拟。在较低应力水平时,模型能够有效地刻画岩石的初始蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性。利用该模型对试验数据拟合的结果表明,含有软体元件和幂函数黏塑性体的非线性流变模型能够有效地描述岩石的蠕变特性,减少组合模型中的元件个数和参数数量。

冻融作用下不同饱和度红砂岩损伤力学特性

为研究不同饱和度条件下冻融循环作用对岩石损伤规律及力学特性的影响,以饱和度分别为30%,50%,70%,90%和100%的红砂岩为对象,进行冻融循环、电镜扫描(SEM)及单轴压缩试验,分别得到不同冻融循环次数后岩样孔隙率、SEM图像及应力-应变曲线,建立不同饱和度冻融受荷岩石宏观统计损伤演化方程,从细微观角度系统分析饱和度影响下冻融受荷岩石的劣化机制。研究结果表明:随着冻融循环次数增加,孔隙率呈现先快后慢的增长趋势,且当饱和度大于70%后,孔隙率迅速增大。低饱和度下岩样矿物颗粒黏结紧密,颗粒边界不明显,孔隙较少;随着饱和度增大,胶结物的溶蚀作用逐渐加速,颗粒间胶结减弱,溶蚀孔洞增多;岩样冻融循环后裂隙平均长度和孔隙平均面积均随饱和度增大逐渐增长。岩样整体呈剪切破坏,剪切破坏面随饱和度增大逐渐增多并贯穿整个岩样。峰值强度和弹性模量随饱和度增大呈"上凸式"指数减小,当饱和度达到70%后,降幅迅速增大;随冻融循环次数增加,峰值强度和弹性模量呈"下凹式"指数降低,冻融循环10次后,降幅趋于减小。饱和度为70%、冻融循环为10次是该红砂岩损伤劣化的界限值。相比冻融循环作用的损伤劣化影响,饱和度对岩石性质的改变更显著。

干燥与饱水状态下炭质板岩蠕变特性研究

采用分级增量循环加卸载方式,对兰渝铁路木寨岭二期隧道炭质板岩进行干燥与饱水状态下的蠕变试验。结果表明:无论干燥状态还是饱水状态,在各种应力水平作用下,岩石试件均产生了可恢复的瞬时弹性应变、不可恢复的瞬时塑性应变、可恢复的粘弹性应变以及不可恢复的粘塑性应变;水对岩石瞬时变形的影响主要表现在瞬时塑性应变方面,对瞬时弹性变形的影响不大;在蠕变变形方面,水对岩石黏弹性影响显著,对粘塑性应变的影响较小。根据岩石蠕变特点,选用Burgers模型描述炭质板岩流变特性,蠕变试验曲线与理论曲线吻合较好。

基于硬化和损伤效应的岩石非线性蠕变模型

岩石的蠕变过程是岩石内部应力不断调整,硬化和损伤效应不断发展并共同作用的结果。借鉴经典元件模型的建模思路,将岩石的初始屈服强度作为蠕变硬化的应力阈值,岩石的长期强度作为损伤软化的应力阈值,引入能反映岩石硬化效应的硬化函数和损伤效应的损伤变量,建立能够全面反映蠕变机制的岩石非线性蠕变模型。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不仅能够很好地描述蠕变全过程,而且可以全面反映岩石蠕变过程中的蠕变硬化和损伤软化机制。

冻结红砂岩单轴损伤破坏CT实时试验研究

为探究冻结岩石的宏观力学特性及损伤演化机理,对20、-5、-10℃红砂岩进行单轴加载CT实时扫描,获得各扫描层的CT扫描图像。利用Matlab自编程序生成灰度直方图和二值图像,基于CT数H值正比于密度的关系定义岩样扫描层的安全区、损伤区、破坏区,结合温度效应、水的软化作用及冰的冻胀力对岩样的影响,定量地研究冻结岩石的损伤破坏演化规律。试验研究表明,(1)温度由20℃降至-5、-10℃时未冻水含量减少而冻结冰含量增加,岩样强度增大、抗变形能力提高、整体稳定性提高,CT图像呈现出岩样裂纹尺寸发展减慢、损坏程度减弱的规律;(2)不同温度下岩石单轴加载的损伤演化经历了裂隙萌生、闭合、延伸、汇集及形成宏观主裂纹的阶段,岩样变形增大发生破坏;(3)由于端部效应,中间较两端扫描层的损伤程度高,外侧较内侧扫描层先发生损伤,损伤边缘化并向内部扩展。

冻融环境下红砂岩三轴蠕变特性及其模型研究

为研究寒区岩体工程在冻融循环与长期荷载耦合作用下的时效力学特性,对不同冻融循条件下的饱和红砂岩进行分级加卸载三轴蠕变试验,研究冻融循环对岩石蠕变特性的影响。结果表明:冻融循环对红砂岩蠕变变形的影响与加载应力水平有关。低应力水平下,岩石黏弹性应变随冻融次数的增加近似线性缓慢增长;而高应力水平时则呈非线性增长;黏塑性应变随冻融次数的增加均呈近似线性增长,第四级加载应力水平(70%σc)为红砂岩蠕变变形特征的分界点。红砂岩稳态蠕变速率随冻融循环次数的增加呈指数型增长。根据红砂岩蠕变试验结果,建立考虑冻融循环作用影响及蠕变损伤的冻融-损伤蠕变模型,得到三维应力状态下岩石蠕变本构方程;对模型进行验证及参数识别,理论值与试验值吻合较好;分析了冻融循环作用对模型参数的影响。研究结果为寒区岩体工程的建设及长期稳定性分析提供理论依据。

基于修正剑桥模型的挤密桩挤土效应分析

将挤密桩挤土过程视作沿桩长不变的一系列点位形成的球形孔扩张过程,把扩张过程中的桩周土体分为3个区域:流动破坏区、塑性变形区、弹性变形区。应用圆孔扩张理论,结合修正剑桥模型推导出了球孔扩张引起的土体应力、位移分布解析解。结果表明,挤密桩塑性区半径为桩半径的2.92倍,与试验结果基本吻合,验证了该分析方法的可行性。其结果可为挤密桩挤土效应的研究提供一种新的思路。

基于分数阶微积分的岩石非线性蠕变损伤力学模型

借鉴元件组合模型的建模方法,将含分数阶导数的软体元件与虎克体串联,引入能反映应力水平和时间影响的损伤变量,提出一种四元件非线性蠕变损伤模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程。在应力水平较低时,模型能够有效地描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不但能够很好地描述蠕变曲线中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,而且可以在保证拟合精度的条件下减少模型中的参数,为非线性蠕变模型研究提供了一种新的思路。

低温环境下红砂岩蠕变特性及其模型

为研究低温环境下岩体工程的长期稳定性,以饱水状态下的陕西红砂岩为研究对象,采用MTS810岩石力学试验机进行不同温度(20,-10,-20℃)条件下的分级加卸载单轴蠕变试验,研究了不同温度条件下红砂岩的蠕变特性及温度对岩石蠕变特性的影响。根据蠕变试验结果,将岩样总应变分为瞬时应变和蠕变应变,瞬时应变由瞬时弹性和瞬时塑性应变组成,蠕变应变由黏弹性和黏塑性应变组成。结果表明,瞬时应变随应力水平的增加而增大,瞬时弹性应变与应力呈近似线性关系;随着应力水平的增加,黏塑性应变随时间逐渐增加,总应变中黏塑性应变的比例也趋于增大。随着温度的降低,岩样瞬时应变及相同应力水平下的蠕变应变均减小,蠕变持续时间延长,岩石破坏强度提高。根据岩样的变形特性结合蠕变试验结果,引入分数阶微积分,建立考虑低温影响的非线性流变模型;采用通用全局优化算法结合最小二乘法中的Levenberg-Marquarat算法对不同温度环境中的蠕变试验结果进行参数识别,理论曲线与试验结果吻合度较高,尤其加速蠕变阶段效果较好,表明该模型能够很好地描述红砂岩在低温环境下的蠕变行为;对不同温度条件下的模型参数进行分析,结果表明,随着温度的降低弹性模量E3(T)呈抛物线式增长,而弹性模量E1(T),E2(T)及黏性系数η1(T)呈指数形增长,为冻结法施工和寒区岩体工程长期稳定性分析提供理论依据。

冻融后循环荷载作用下红砂岩力学特性试验研究

为了研究寒区岩石在往复荷载作用下的力学性质,采用TAW-100微机控制岩石力学试验机及冻融循环试验箱对经历不同冻融循环次数的红砂岩进行常规单轴压缩试验和单轴循环加卸载试验。结果表明,随着冻融循环次数的增加,岩石的峰值强度、弹性模量逐渐减小,而峰值应变和泊松比逐渐增大,岩石的破坏则呈现出由脆性向延性转变的趋势;循环加卸载平均模量随冻融次数的增加迅速降低,单位体积耗散能则随加卸载应力水平的增加逐渐增大,但这一趋势随冻融循环次数的增加逐渐降低。

干湿循环作用下受荷砂岩损伤劣化特性研究

为研究干湿循环作用下砂岩力学特性的劣化规律,对经历不同干湿循环次数下的弱胶结砂岩进行核磁共振(NMR)及单轴压缩试验,采用声发射技术(AE)实时监测砂岩受荷破坏过程,并采用砂岩孔隙度定义损伤变量,建立干湿循环受荷条件下岩石损伤劣化模型,探究岩体在干湿-受荷作用下的损伤劣化机制。结果表明:①砂岩在循环初期的驰豫时间T_(2)谱面积增幅最大,且随循环次数的增长不断减小;单轴压缩后的岩样,其T_(2)谱面积相较于破坏前增长幅度显著。②随循环次数的增加,砂岩试样的塑性变形不断增大,声发射累计振铃数呈降低趋势,降低幅度最大达76.21%。③单轴抗压强度和弹性模量均随干湿循环次数的增大呈指数衰减;引入劣化度表征岩石力学参数的劣化程度,发现岩石单轴抗压强度的劣化速率随孔隙度的增长不断减缓。

冻融岩石蠕变特性及孔隙结构演化特征研究

寒区露天岩体面临着循环冻融和长期荷载共同作用引起的时效性损伤的考验。为探究寒区环境对岩体稳定性的影响,以陕北某工程的红砂岩为研究对象,从冻融岩石的宏观蠕变特性及细观结构的演化特征着手,通过冻融岩石的加卸载蠕变试验,并配合核磁共振检测,对冻融红砂岩蠕变过程中的宏观力学指标及细观参数的演化进行定量分析。结果表明:应力水平在0.3σucs~0.5σucs时,孔径分布在一个较小范围内波动,当应力水平增高至0.5σucs~0.6σucs时,小孔(横向弛豫时间T_(2)<10 ms)占比下降,大孔(T_(2)>10 ms)占比上升;冻融加剧了蠕变阶段孔隙度的增长,高应力水平下冻融对孔隙度增长的影响更为显著。引入分形理论表征孔隙结构的复杂程度,发现大孔有明显分形特征,而小孔分形特征不明显,总孔分维DT与孔隙度呈正相关;孔隙结构的复杂程度仅在孔隙度较大时才明显影响岩石的蠕变力学特性。建立了有关冻融作用影响及蠕变损伤的冻融-损伤蠕变模型,模型曲线可以很好地反映冻融岩石的蠕变破坏特征,且与试验曲线吻合良好。本研究可为冻融环境下的岩体工程建设提供理论依据。

干燥与饱水状态下炭质板岩变形特性分析

针对兰渝铁路二期木寨岭隧道炭质板岩富含裂隙水,遇水易软化的工程特性,对干燥和饱水状态下炭质板岩开展常规三轴试验和单轴循环加卸载试验研究。结果表明,水对炭质板岩的变形特性影响显著。相比干燥岩样,饱水试样峰值强度明显降低,而变形量则显著增长。循环加卸载试验的变形曲线表现出明显的记忆性,其外包线几乎与单调连续加载的变形曲线完全重合;同时,加卸载条件下由水引发的塑性变形比加载引发的相应变形值还要大,干燥岩石在每一循环周期下弹性模量值约为饱和状态下的2倍。

锚固岩石蠕变特性试验研究

锚杆支护是地下岩体工程的主要支护方式之一。为了揭示锚固岩体在实际情况下的长期力学特性,文章对标准砂岩试件沿径向钻孔、张拉钢丝并施加预应力,通过室内单轴压缩蠕变试验,对锚固前后岩石的蠕变力学特性进行了研究。结果表明:锚固后岩石的力学性能产生了明显的改善,对径向变形的抑制效果更加显著;锚固后岩样轴向瞬时变形平均降低27%,径向瞬时变形降低60%,蠕变变形降低14%;根据岩样的变形特点,选用Burgers模型描述两种岩样的流变特性,并分析了流变模型参数的变化规律。

干燥和饱水炭质板岩流变力学特性与模型研究

水是影响岩石流变力学性质的重要因素.采用分级加载方式,对兰渝铁路木寨岭二期隧道炭质板岩开展干燥与饱水状态下的单轴蠕变试验.结果表明:饱水岩样的蠕变量和蠕变速率远大于干燥岩样的相应值,相同应力水平下的蠕变应变可达到干燥岩样的3倍以上,进入稳定蠕变阶段也需要更长的时间.分析岩石的蠕变规律,通过在Burgers流变模型上串联一个非线性粘塑性体,提出改进的非线性损伤流变模型,推导其一维和三维蠕变方程.并对流变模型参数辨识方法进行改进,采用线性递减权重粒子群算法(PSO)和Levenberg-Marqud非线性最小二乘法相结合的方法对试验结果进行参数辨识,结果表明该模型能够很好地描述炭质板岩在不同应力水平下的蠕变特性.

冻融作用下岩石孔隙扩展演化特征研究

为探究岩石在冻融循环作用下的裂隙演化特征,利用CT扫描技术,获取不同冻融次数岩石的三维图像,并通过孔隙网络模型参数进行定量表征,研究岩石随冻融循环的裂隙形貌演化过程,以及孔隙结构随冻融次数的变化。结果表明:完整岩石冻融微裂隙主要集中在岩石外围,呈环形片状;而裂隙岩石冻融产生的微裂隙主要存在于预制裂隙周围和岩桥区域,且分布范围更广。冻融循环作用后,完整与裂隙岩石的PNM中各类孔隙变化特征不一。前者孔隙数量减少,小孔占比逐渐减小,中大孔占比增大,孔隙分布位置较为均匀;后者孔隙数量增加,但中孔占比减小,大孔占比迅速增大且主要集中在岩心上下端面。在冻融过程中,岩石各类孔喉结构主要参数均呈增长趋势,裂隙岩石孔喉网络发育更剧烈,冻融结束后其最大喉道半径增长幅度约为完整岩石的2倍。在冻融前期,冻融循环作用主要促进岩石孔隙相互连通,后期主要表现为孔喉加速扩张,且裂隙岩石孔隙率增长速率均大于完整岩石。研究结果可为寒区岩体破坏机理及灾害防治提供参考。

基于离散元法模拟的冻融砂岩细观破裂演化特征研究

为探究冻融岩石细观损伤累积及受载破裂过程,基于离散元提出一种水冰颗粒相变耦合膨胀方法,借助颗粒流程序实现岩石冻融过程模拟,结合室内试验验证模拟结果的可靠性,定量表征孔隙水颗粒冻胀评价指标λv,建立λv与冻融循环次数N之间的函数关系,并对冻融岩石受载过程中微裂纹−位移场−力链场演化及破裂特征进行评估。结果表明:(1)冻融循环作用下岩石内部孔隙水体积膨胀及持续补水是造成其损伤的本质原因;冻融过程中试样细观微裂纹由拉伸裂纹主导,呈“先慢后快”趋势演化,且外围岩石颗粒位移较内部更显著。(2)试样受载时微裂纹呈“慢→缓→陡”发展,冻融循环次数N与受载产生的微裂纹数量呈正相关,但与微裂纹起裂应力σi却呈负相关。(3)冻融前后试样破裂过程与形态明显不一,受载趋于峰值强度σf时,试样微裂纹分布−位移场−力链场有“异常信号”出现,可作为破坏前兆识别信息;冻融循环影响下,试样内部微裂纹空间排布方式更为复杂,由拉伸微裂纹主导破裂向拉−剪混合微裂纹主导转变。该研究可为探索冻融岩石破坏行为提供一种新的思路和方法。