高应力和高渗压下饱和完整砂岩三轴剪切-渗流耦合特性试验研究

为研究高地应力和高水头压力下完整岩石的三轴剪切力学特性和渗透特性,更加真实地揭示三维压剪应力状态下重大岩石边坡在剪切-渗流耦合作用下的损伤破坏机制,采用Rock Top多场耦合试验仪,对饱和完整砂岩进行五组不同法向应力和渗压下的三轴剪切-渗流耦合试验,获得相应的三轴剪应力-应变-表观渗透率曲线和含有原岩屑的剪切单节理裂隙面,并开展单节理裂隙渗透试验。分析不同法向应力和渗压双因素耦合作用下岩石剪切破坏裂隙面的形貌特征,探究饱和砂岩的剪切强度和表观渗透率随法向应力、渗压的演变规律,探讨单裂隙砂岩的表观渗透率在剪应力逐渐减小过程中随渗压的演化特征。研究结果表明:1)剪切-渗流耦合作用下饱和砂岩表观渗透率表现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的变化规律;2)剪切-渗流耦合下饱和砂岩剪切峰值强度和残余强度随着法向应力增大而增大,随着渗压的增大呈线性减小,并且在剪切过程中表观渗透率曲线渗流峰值滞后于剪切峰值强度;3)在剪应力缓慢降低过程中,单节理裂隙面的开度先降低后增大,其表观渗透率和渗流量呈现出先减小后增大的变化规律;4)采用Forchheimer方程拟合获得剪应力、渗压和法向应力作用下,贯穿单裂隙面的渗流量与渗压的关系式。

渗流-应力耦合下侏罗系红砂岩力学及渗透特性试验研究

三峡库区广泛分布侏罗系红砂岩,在水库运行期间红砂岩的渗流-应力耦合特性关乎库区内多数滑坡和岩质边坡的稳定性。借助岩石多场耦合三轴试验系统,对三峡库区侏罗系红砂岩开展了不同围压、不同渗透压下的三轴压缩试验,系统研究了红砂岩的三轴压缩力学特性和渗透率演化特征。研究结果表明:(1)红砂岩的峰前应力-应变曲线可分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、微裂隙稳定发展阶段和非稳定发展阶段。红砂岩的力学参数与渗透压的关系呈负相关,与围压呈正相关。(2)随着围压升高,红砂岩的破坏模式由张拉破坏过渡到剪切破坏。(3)不同渗透压下,渗透率曲线呈平稳发展→缓慢上升→快速上升3阶段演化规律;不同围压下,渗透率曲线先降低后升高。(4)从能量角度分析了渗透压和围压对岩石的作用,验证了渗流对岩石的劣化效应以及围压对裂纹发展的抑制作用。本试验对鲜有报道的侏罗系红砂岩的强度、变形和渗透特性做了系统的研究,对渗流-应力耦合课题有补充意义。其工况根据三峡库区边坡岩体的应力水平来确定,试验结果对分析库区边坡稳定性具有指导意义。

土石混合体三轴剪切试验及三维多重剪切边界面模型

土石混合体是介于离散和连续介质之间的特殊地质材料,其颗粒分布特征和力学特性是控制土石混合体高填方工程稳定性的重要因素。以白鹤滩水电站库区象鼻岭移民安置点防护堤工程为依托,利用大型三轴试验仪,对两种土石混合体填筑料在3种不同围压条件下进行固结排水剪切试验,分析了土石混合体的偏差应力和体积应变随轴向应变的变化规律以及剪缩和剪胀特性。在此基础上,根据粒状土的临界状态和边界面弹塑性理论,引入了适合于土石混合体的临界黏聚力和状态参数,并基于空间随机分布微观剪切结构,建立了土石混合体状态相关三维多重剪切边界面模型。通过模型模拟结果与三轴剪切试验结果的比较,验证了该模型能够合理地描述土石混合体在低围压下的应变软化和剪胀特性,以及在高围压下的应变硬化和剪缩特性。

真三轴气固耦合煤体渗流试验系统的研制及应用

为了更真实地模拟煤岩在掘进巷道迎头等环境下的应力状态,研究三向应力环境下煤岩的损伤变形及瓦斯渗流情况,自主研发了真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统。该装置主要由真三轴压力室、液压伺服系统、气体渗流系统和监测与控制系统组成,采用的试件尺寸为200 mm×100 mm×100 mm,可施加的最大轴压(σ1)为70 MPa、最大侧压(σ2)为35 MPa、最大侧压(σ3)为10 MPa、最大瓦斯压力为6 MPa。该装置具有以下特点:(1)σ1、σ2采用刚性压头加载,σ3采用柔性加载,三向应力分别独立加载;(2)设计了刚柔性压头及传压滑杆,使得σ1与σ2方向压头在同时加载过程中互不干扰;(3)通过伺服液压系统控制加载功能,使得装置性能稳定,应力与位移加载精确,易于控制;(4)气体渗流系统采用蜂窝孔对试件进行面通气,确保试件进气端瓦斯压力均匀分布;(5)采用多种高精度传感器进行监测,实时记录煤体所受应力值、变形量及瓦斯渗流量。用两种不同应力路径下的渗流试验对该系统准确性和可靠性进行了验证,结果表明,该装置性能稳定可靠。该装置可用于揭示煤与瓦斯在三向应力条件下的耦合作用机制,为防治瓦斯灾害及研究瓦斯抽采提供了可靠的试验基础。

花岗岩单节理剪切-渗流耦合特性试验研究

在介绍JAW-1000型岩石单节理剪切-渗流耦合试验系统的结构和各项功能的基础上,应用该系统对4组花岗岩节理试件进行了常法向荷载和常法向刚度2种条件下的剪切-渗流耦合试验,分析花岗岩节理剪切过程中的剪切应力、法向位移及水力开度的变化规律。结果表明,花岗岩节理的剪切应力、法向位移及水力开度均呈现2个阶段的变化规律;随着剪切次数的增加,节理面的峰值剪切应力及残余值降低,剪胀点延迟,节理面的初始水力开度显著提高,法向位移和水力开度变化曲线逐渐趋于平缓。

动力固结后饱和软土三轴剪切性状的试验研究

通过淤泥质饱和软粘土的三轴固结不排水剪切试验,研究了海相沉积原状土、重塑土以及超固结土在动力固结后的应力–应变性状表现。原状软土经过动力固结后在剪切过程中表现出应变软化,重塑软土在低围压下具有一定的应变硬化现象,而在高围压下则为应变软化型。3种状态下的软土的应力–应变关系曲线按照双曲线形式对围压均具有较好的归一性。应力路径分析表明,原状土经过动力固结后在剪切过程中表现出一定的超固结土的性状,而经过动力排水固结后,重塑土则具有明显的超固结土特性。

温控桩-土接触面三轴试验系统研制与验证

为探讨温度对桩-土接触面力学性质的影响,自主研制了一套温控桩-土接触面三轴试验仪。基于常规土工三轴仪压力腔,搭建桩-土接触面构件,分别增设桩体和土体温度控制系统,实现非等温条件下桩-土接触面热力耦合特性测试。开展了不同类型、温度荷载等级下桩-砂土接触面热-力耦合特性三轴试验,实测了桩体与土体温度控制精度、桩-土接触面剪切应力、不排水条件下的孔隙水压力以及排水条件下的体积变化等规律,初步验证了试验系统的可靠性和准确性。该试验系统结构简单、拆装方便,可实现温控桩-土接触面三轴试验与常规/温控三轴试验的自由切换。相关研究成果将为桩-土接触面热-力耦合机制与本构模型的建立提供技术支撑。

橡胶砂应力-应变特性三轴-单剪联合试验研究

橡胶砂作为一种环保的岩土材料有广泛的应用前景。应用三轴和单剪两种试验方法对2种固结压力下、7种配比橡胶砂的应力-应变特性、体变特性和模量衰减特性进行了对比研究,结果表明:随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂模量降低,应力-应变曲线向应变硬化型转变,线性关系增强;随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂剪胀特性减弱,剪缩增大;橡胶砂应力-应变关系可用扩展邓肯-张模型进行模拟,模型参数受橡胶颗粒含量影响的规律明显;随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂的静剪切模量Gs与剪应变γ曲线降低,而橡胶砂模量衰减曲线Gs/G0-γ(G0为初始剪切模量)向大应变方向偏移;三轴和单剪两种试验方法得到的橡胶砂应力-应变特性、体应变-剪应变规律类似,但试验参数明显受应力状态和应力路径的影响,两者的差异主要表现为三轴试验得到的应力-应变曲线和模量曲线高于单剪试验,产生这种差异的主要原因是由于前者的平均应力相对较大。试验还得到了橡胶砂初始模量随橡胶颗粒含量降低的经验关系。

渗透压—应力耦合作用下煤体常规三轴试验的颗粒流模拟

为了研究在渗透压-应力耦合作用下围压和瓦斯压力对煤体变形破坏规律的影响,借助PFC2D软件进行了340组抗压及抗拉试验模拟,建立了煤体宏观力学参数与细观参数之间的关系。利用平行黏结模型和推导得出的细观参数,对煤体进行了不同围压和瓦斯压力条件下常规三轴试验的颗粒流模拟,并将模拟结果与物理试验结果进行对比及误差分析,对煤体宏观力学参数的变化规律进行了总结。分析结果表明,经过推导得到的宏细观参数关系,可以控制模拟结果的误差在10%之内,能较好地模拟煤体的力学特征;围压增大时,煤体的抗压强度、残余强度及弹性模量呈增大趋势,泊松比以及煤体的破裂角度变小,与物理试验所得围压对煤体的刚度和强度起增强作用的结论一致;瓦斯压力的升高会导致煤体抗压强度,残余强度及弹性模量减小,泊松比以及煤体破裂角度变大,验证了物理试验中瓦斯压力对煤体强度具有劣化作用的结论。

不同温度-围压-气体压力下煤体蠕变-渗流演化规律

为实现深部煤层气的高效开采,通过研究不同温度、围压和气体压力下煤体蠕变变形和渗透率演化规律,得到多因素作用下煤体蠕变-渗流耦合关系;采用自行设计的岩石三轴蠕变-渗流装置,对焦煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验。结果表明:温度与煤样的蠕变呈正相关性,随温度的增加焦煤煤样径向和轴向应变变化速率增大且高温(110℃)下这种变化会一直持续直至煤样破裂;围压强度3 MPa与4 MPa的焦煤煤样在温度30、70、110℃下其气体渗透率降低率最大和最小差值分别为7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%;焦煤煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,试验温度110、70、30℃下的焦煤煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%、73.25%。

阜新-朝阳高速公路段黄土三轴剪切特性研究

对取自阜新—朝阳高速公路段的黄土进行了14C测年、颗粒分析、湿陷及常规试验等,对比分析了其基本特性,通过三轴剪切试验,获得了不同含水量的黄土剪切孔压、固结孔压、抗剪强度及剪切变形的变化特征。分析认为,辽西黄土此类特性由黄土的物质成分和结构特征所决定。对不同含水量的黄土剪切变形曲线建立力学模型,拟合结果表明,对于脆性破坏的应变软化曲线,刘祖典模型描述的效果并不理想,而文中建议的经验模型则较为适合。

不同应力路径对红土三轴剪切试验成果的影响

红土作为一种特殊土类，其物理力学性质不同于一般粘性土．本文从红土的基本物理力学性质出发，对红土在不同应力路径不同试验方法下的三轴剪切试验成果进行分析研究，指出红土的应力－应变－体变曲线出现特殊现象，同时还分析了两种应力路径对试验成果的影响．

不同黏结剂掺量条件下型煤试样三轴压缩试验研究

为制备与原煤力学性质更为相似的型煤样品,以普通硅酸盐水泥为黏结剂,开展不同黏结剂掺量条件下型煤三轴压缩试验,对比分析2种煤样应力-应变、破裂形态、力学参数等差异性变化,揭示黏结剂掺量对型煤宏观力学性能的影响。试验结果表明:随着围压的增加,不同黏结剂掺量条件下型煤试样压密阶段和弹性阶段变化与原煤呈现相似的变化规律,而屈服阶段与峰后阶段变化与原煤差异较大;随着黏结剂掺量的增加,型煤轴向应变与黏聚力也随之增大,而型煤弹性模量与内摩擦角却不断减小。研究结果说明,黏结剂掺量增加可改善煤内部大量煤粉颗粒间的固结能力,一定程度上提高了型煤的力学强度与刚性特征,使得型煤宏观破裂形态由典型的塑性破坏向剪切破坏转变,呈现出理想的弹-塑性材料变形特征。不同煤样特征值空间向量的欧式距离计算结果表明,型煤IV的力学特征与原煤更为接近。

不同边界对花岗岩三轴试验影响的三维离散元数值研究

为了研究边界对花岗岩常规三轴离散元模拟试验的影响,使用颗粒流模拟软件(PFC3D),基于三维等效晶质模型(Grain-Based-Model)方法生成花岗岩模型,同时利用有限元-离散元(FDM-DEM)耦合建模技术,分别建立刚性、柔性膜以及有限元单元(“Shell”)3种边界下的离散元三轴试验,结果表明:相较于“Shell”边界,刚性边界会提高岩样发生应力集中现象的概率,影响岩样的破坏形态;柔性膜边界会导致岩样在三轴加载过程中所受的实际围压大于目标围压,并显著提高岩样的残余强度;而“Shell”边界下的岩样所受围压稳定,发生应力集中的概率最小。综合分析可得:在花岗岩离散元三轴模拟中“Shell”边界是合适的选择。

土石混合填料大型三轴剪切试验研究

为研究土石混合填料在不同土石混合比情况下的力学响应,以国道316旬阳至安康二级公路改建工程中的填石高路堤工程为依托,利用大型三轴剪切试验仪,在4种不同围压条件下,分别对土石混合质量比为3∶7和3∶2的试样进行固结不排水剪切试验。发现当土石混合比为3∶7时,在低围压(200 kPa)条件下,试样应力-应变曲线为应变硬化型,在高围压(400,600和800kPa)条件下,试样应力-应变曲线在达到峰值应力后有所下降,表现为弱应变软化。在4种围压条件下,试样体应变均表现为随轴向应变先增大后减小,即试样先剪缩后剪胀,且表现为随着围压的增大,剪缩量不断增大,然后达到峰值,随后体应变减小,表现出剪胀趋势,且随着围压的增大,剪胀趋势减弱。当土石混合比为3∶2时,在4种围压条件下,试样应力-应变曲线均表现为应变硬化,无明显的峰值强度。试样体应变均随轴向应变增大而增大,即试样一直表现为剪缩,且围压越大,剪缩趋势越明显,剪缩量越大。体变速率(dεv/dε1)能较好地反映试样变形特性和应力-应变特性。结果表明:土石混合比的变化对土石混合料剪胀性影响很大,对应力-应变特性的影响主要体现在加载后期。

排弃物料力学性质大型三轴剪切试验研究

露天矿剥离堆积的排弃物料力学性质是矿山排土场设计与稳定性控制之关键科学问题。文章以西南某露天矿剥离排弃物料为研究对象,采用室内相似级配模拟试验制作了不同物质组成、级配、相对密度条件下的试样,采用剪后筛分试验研究了各试样在不同应力状态下的颗粒破碎机理及破碎率变化关系,采用大型三轴剪切试验测试了各试样的应力-应变关系及抗剪强度参数。试验结果表明:排弃物颗粒剪切破碎力学机制复杂,颗粒破碎率与物料组分、级配、相对密度及围压条件密切相关,与抗剪强度参数相关性强。应力-应变曲线无明显峰值强度,具有应变硬化特征,分析认为其与围压、相对密度水平较低有关。试验数据拟合曲线均表明:ε1/(σ1-σ3)与ε1为线性关系,-ε3与ε1为抛物线关系,相关系数均大于0.9。据此拟合曲线,求解出排弃物料的切线泊松比μt,修正了邓肯-张模型。对相同试验条件下对比试样(QG-B-3)应力-应变关系,采用邓肯-张模型(修正)进行了预测,预测结果与试验测试数据基本一致,验证了邓肯-张模型(修正)能够描述排弃物料力学特征。研究排弃物料剪切破碎机理与应力-应变特征,对露天矿排土场边坡变形控制具有重要的理论意义。

粉土及其稳定土的三轴试验研究

以粉土和4%石灰、2%水泥+2%石灰、4%SEU-2型固化剂、8%SEU-2型固化剂处理的粉土为研究对象,通过不固结不排水三轴剪切试验(UU)和固结不排水三轴剪切试验(CU)对变掺量、变龄期条件下粉土及稳定土的强度和变形特性进行了研究。试验结果表明:粉土及其稳定土的应力-应变曲线主要为软化型。SEU-2型固化剂在改善粉土的凝聚力方面起了很好的作用,综合考虑了不同稳定方法的强度指标,表明掺SEU-2型固化剂是稳定粉土的最有效的方法。

复杂应力环境下单节理岩体渗流-应力耦合特性研究

实际工程岩体在三向不等压主应力作用下渗流-应力耦合特性是目前学术界和工程界尚不明确的一个关键点.首先通过合理的理论分析与公式推导,给出了可描述三向主应力作用下无充填节理内渗流-应力耦合特性的理论公式;利用室内岩石真三轴渗流-应力耦合试验,验证了上述理论公式的可行性;通过基于全局优化算法的非线性拟合软件,结合试验数据给出了可信度较高的渗流-应力耦合特性经验公式;采用三维块体离散元方法开展数值试验,探讨了节理法向刚度参数取值方法的差异性,在合理赋值情况下验证了渗流-应力耦合特性经验公式的合理性;基于室内真三轴应力-渗流耦合试验、非线性数据拟合与离散元数值试验的系统研究结果证明了理论分析的准确性.

不同含盐类别和干密度盐渍土的三轴试验变化特征研究

对罗布泊地区的盐渍土进行三轴剪切试验研究,获得了盐渍土在不同含盐类别和干密度的剪切变形和体积变形的变化特征。分析认为:在较低干密度下,盐渍土呈现应变硬化型,硫酸盐渍土在较高干密度下呈现弱应变软化型;在相同的干密度下,硫酸盐渍土的破坏强度大于氯盐渍土的破坏强度;运用邓肯-张模型,求出不同含盐类别及不同干密度下盐渍土的8个参数,并进行拟合,结果表明:邓肯-张模型应用于盐渍土时对于应变硬化型应力-应变曲线具有良好的拟合效果,但不能反映应变软化特性和剪胀性。

高铁路基粗粒土填料静力特性大型三轴试验研究

选取宁杭高铁德清站路基填料站现场典型粗粒土填料制备试样,在100,150,200,300 kPa围压下开展大型三轴固结排水剪切试验,得到相应的应力-应变和体变特性曲线。试验表明:围压越大,偏应力达到稳定值所需的轴向应变越大,当围压为300 kPa、轴向应变达到15%时,偏应力仍在继续增长。不同围压条件下的试样剪切初期均表现为剪缩,随着轴向应变增加,体积应变逐渐减小甚至过渡到剪胀。根据试验结果,选取不同围压下的峰值强度作为归一化因子,对填料的应力-应变关系进行理论分析,得到归一化偏应力与轴向应变的拟合关系曲线。由该曲线确定相关参数后,能较好地预测填料的应力-应变关系。