考虑黏土蠕变特性的大埋深盾构复推总推力增量解析解研究

由于黏土存在蠕变效应,黏土地层中盾构长时间停机会诱发盾构复推总推力增量过大、盾构姿态难以控制、管片易破损等次生风险等问题,将黏土地层视为Burgers黏弹性体,构建考虑地层应力和蠕变特性的大埋深圆截面隧洞简化力学模型,根据黏弹性理论推导盾壳-地层径向接触应力的黏弹性解,进而通过积分和分段计算求解复推总推力增量与停机时间的理论关系式。结合水工盾构隧洞停机实例,对比复推总推力增量实际值与理论值。研究结果表明:复推总推力增量实际值与理论值平均相对误差为13.81%,验证了该解析解的可靠性;隧洞埋深越大,复推总推力增量越大,表明大埋深段停机需更关注复推推力控制;盾壳-地层界面摩阻力随超挖间隙增大而减小,而复推总推力增量随之增大;此外,总推力增量随着盾壳-地层界面摩擦因数减小而显著减小。因此,设置合适的超挖间隙和长时间停机时采取往盾壳外注入膨润土等润滑减阻措施能有效预防大埋深段停机的次生风险。

粉砂质泥岩蠕变特性与非线性黏弹塑性本构模型

针对边坡、隧道工程中粉砂质泥岩长期稳定性问题,采用DZSZ-150型多场耦合岩石三轴压力试验机,利用粉砂质泥岩相似材料试样,开展不同围压下粉砂质泥岩蠕变试验。根据蠕变试验结果建立可描述粉砂质泥岩蠕变全过程的非线性黏弹塑性本构模型,以7 MPa围压下蠕变试验结果为例,对所提出的蠕变本构模型进行合理性和可行性验证。结果表明:试样的稳态蠕变速率与偏应力大小有关,随着偏应力的增加,试样稳态蠕变速率与偏应力之间符合指数函数关系;在加速蠕变阶段的蠕变速率相对低偏应力水平下减速蠕变和稳态蠕变速率明显要增大很多,且非常短时间内就发生了蠕变破坏;提出一种描述粉砂质泥岩全蠕变过程的非线性黏弹塑性本构模型,该模型能描述粉砂质泥岩蠕变-破坏全过程的蠕变变形规律,反映了粉砂质泥岩在不同偏应力水平作用下的蠕变特性,克服了经典模型中无法准确描述加速蠕变过程的难题。

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。

高温冻结粉土-不同粗糙度混凝土接触面蠕变特性试验研究

为研究高温冻土-混凝土接触面的蠕变特性,利用自行研制的大型蠕变剪切仪,开展了-1℃条件下冻结粉土与粗糙度分别为0,0.538,0.775,1.225 mm混凝土接触面的分级加载蠕变试验。分析了分级加载条件下接触面蠕变曲线规律及接触面破坏特征,并将分级加载曲线转换为分别加载曲线,研究蠕变速率随时间变化规律,建立剪应力-稳定蠕变速率函数,从而得到接触面长期强度值,进一步建立接触面长期强度与粗糙度的函数关系,以探讨粗糙度抵抗蠕变的作用机理。结果表明:高温冻结粉土-混凝土接触面分级加载强度及剪切破坏时间与粗糙度呈线性正相关,随着粗糙度的增大,剪切破坏界面向土体内部偏移,破坏类型由接触面滑移破坏向土体内部破坏发展;通过陈氏法将分级加载曲线转换为分别加载曲线,得到的分别加载蠕变曲线具有衰减和非衰减蠕变特征;建立稳定蠕变速率与剪应力的函数关系符合arrhenius方程,从而得到接触面长期强度仅约为分级加载强度的20%,说明高温冻结粉土-混凝土接触面具有显著的流变效应;接触面长期强度随粗糙度的增大呈线性增长,接触面粗糙度由0 mm增大到1.225 mm时,长期强度可增大220%,可通过增大接触表面粗糙度的方法提高高温冻土-混凝土接触面的长期强度。

滇中红层泥岩剪切蠕变特性及其本构模型

为保障滇中红层泥岩所在区域隧洞工程的施工及长期运营安全,本文以“滇中引水工程”狮子山隧洞段的红层泥岩为研究对象,首先,采用分级加载剪切蠕变试验方法,研究其蠕变特性;其次,基于非线性流变力学理论,分别构建了触发式非定常加速元件、非线性弹性元件及复合型黏性元件;第三,通过各元件的合理组合,建立了滇中红层泥岩的非线性、非定常蠕变模型;最后,对所建模型进行参数估计,与试验结果进行对比,验证理论模型的适用性。研究结果表明:在较低应力状态下,岩样主要表现为衰减蠕变,其中蠕变变形在总变形中的占比可达85%;而在较高应力状态下,岩样发生从衰减蠕变、等速蠕变直至加速蠕变破坏的全过程蠕变,其中蠕变变形在总变形中的占比达87%。剪应力对岩样蠕变变形具有显著影响,剪应力越高,衰减蠕变达到稳定状态所需的时间越长,蠕变变形在总变形中的占比越高。在全过程蠕变中,岩样的蠕变变形以稳态蠕变为主,其蠕变时间占总蠕变时间的80%,蠕变量占总蠕变量的51%。该蠕变模型既能完整地描述岩样从衰减到等速直至加速蠕变的全过程,同时又能克服传统模型参数取值随应力而不断变化的问题,通过一组参数就可以描述岩样在各应力状态下的蠕变变形特性。理论模型得到的结果与试验结果吻合较好,说明所建模型对于滇中红层泥岩具有较好的适用性。

红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究

为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。

碱渣土蠕变特性试验及数值模拟研究

碱渣土孔隙比大、含水量高、压缩性大,研究其蠕变特性对于准确预测碱渣土地基长期沉降、确保上部结构长期稳定性具有重要意义。以天津港碱渣土为研究对象,采用分级加载-卸载的方式对不同深度处碱渣土进行一维压缩固结试验(包括卸荷回弹与再压缩试验)。通过试样孔隙比随上部固结压力的变化曲线分析了碱渣土的压缩特性;利用“陈氏法”对分级加载过程的应变-时间试验数据进行处理,得到不同深度处碱渣土在不同固结压力下的应变-时间蠕变曲线。在此基础上,根据蠕变曲线衰减稳定规律以及应力-应变等时曲线所反映的非线性蠕变特征,提出采用Merchant元件模型对蠕变试验曲线进行拟合,并确定模型中3个参数的经验计算公式,建立碱渣土非线性蠕变模型。最后,通过编制有限元子程序实现数值开发,将数模计算值与蠕变试验数据、天津港碱渣土地基沉降实测值进行对比,验证所开发数值模型的合理性。

动态冲击下红砂岩蠕变特性及损伤本构模型

为研究岩石在动态扰动下的蠕变特性,在自行研发的冲击扰动蠕变试验装置上,对细粒红砂岩开展了多级冲击扰动蠕变试验,分析了不同蠕变应力与扰动能量下瞬时变形与蠕变行为,结合间接法得到了扰动能量对长期强度的影响。结果表明:动态扰动在较低的蠕变应力下使试样致密,而当蠕变应力超过一定的应力阈值后加剧试样内部的损伤恶化,其引起的瞬时变形与蠕变应变则随蠕变应力表现出先减后增的规律;随着动态扰动能量的增加,试样的破坏应变越大,但长期强度越低;引入长期强度与扰动能量的相关性、动态扰动单元和扰动-损伤黏性元件,建立了黏塑性扰动损伤蠕变模型,结合试验数据验证了该模型的准确性,该模型可以准确地描述砂岩在静态恒载和动态扰动组合作用下的瞬态变形和蠕变行为。该研究成果对于钻爆法隧道的支护设计以及安全生产具有重要的理论意义与应用前景。

炭质板岩冻融后蠕变特性试验及损伤模型研究

为了揭示炭质板岩冻融后蠕变力学,以汶川-马尔康高速公路卓克基隧道炭质板岩为研究对象。开展了不同冻融循环次数下的三轴压缩蠕变试验。假设岩石受荷载作用下的时效损伤服从Weibull概率密度分布,由此定义受荷损伤变量,依据唯象损伤力学理论定义冻融损伤变量,考虑冻融与应力的耦合效应,构建冻融、受荷总损伤变量。基于炭质板岩蠕变行为表现,确定H-H|N-N|S蠕变模型结构,基于此进行了损伤演化,得到一个新的可反映冻融与应力耦合的蠕变损伤模型,拓展为三维应力状态。给出模型参数求解方法,并分析了损伤演化规律,采用所建模型识别炭质板岩蠕变数据,引入一个传统模型进行了对比,分析模拟对比曲线,验证新模型的可行性和合理性。结果表明:炭质板岩的蠕变试验曲线呈“台阶形”,轴向应变随着时间增长而递增;随着冻融作用的增强,长期强度随之递减,冻融循环作用可能会降低岩石蠕变破坏的难度;新模型对炭质板岩蠕变行为的模拟效果较好,平均R^(2)达0.9878,证明了新模型描述炭质板岩冻融后蠕变特性的可行性。冻融作用的加强,使得炭质板岩内部结构的损伤发展更快,对岩石蠕变破坏起一定促进作用。

高流态注浆材料膨胀及蠕变特性试验研究

为探究高流态注浆材料膨胀规律以及注浆后煤体蠕变力学特性和孔隙结构,设计新非线性黏塑性元件结构,并据此构建蠕变力学模型。首先,制备高流态注浆材料并将其注入至煤体中,以模拟钻孔周围煤体注浆情况;然后,采用压汞试验和单轴分级加载蠕变试验方法,测试注浆后煤体孔隙结构以及不同应力水平下注浆煤体蠕变性能,进而获取注浆煤体在不同蠕变阶段的应变变化规律。最后基于蠕变试验结果,设计新非线性黏塑性元件,并将其引入到鲍埃丁-汤姆逊模型,反演获得蠕变模型相关参数,揭示注浆后煤体的蠕变失稳破坏规律。研究结果表明:高流态注浆材料膨胀率相比普通水泥材料提高92%,能够有效解决水泥基注浆材料固化后收缩的问题;当高流态注浆材料注入煤体后,煤体失稳破坏临界荷载为15.3 MPa,在一定程度上提高了煤体稳定性。

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。

沥青混合料单轴蠕变特性分析

为分析沥青混合料单轴蠕变特性,评价沥青混合料抗变形能力,以5种沥青混合料和2个试验温度为例,进行不同类型混合料在不同温度下的单轴蠕变试验。试验结果表明,沥青混合料单轴蠕变特性会受沥青混合料类型和温度影响。不同集料级配,或相似集料级配但不同沥青胶结料的沥青混合料,其单轴蠕变特性不同,即其抗(永久)变形能力不同。随温度升高,沥青混合料瞬时变形弹性模量、粘滞阻力、抗黏弹性变形模量等显著降低,其抗(永久)变形能力也降低。

浸水条件下含水率对粉砂质泥岩蠕变特性的影响研究

泥岩具有强度低、遇水易软化的特点,尤其是富水泥岩地层,对工程岩体的长期稳定性影响较大,但相关研究少有报道,因此亟待深入研究泥岩遇水蠕变特性。开展了不同初始含水率泥岩试样在天然和浸水条件下的分级加载蠕变试验,研究了水对岩体蠕变特性的影响机理,结合广义Kelvin模型,构建了考虑含水劣化效应的蠕变损伤本构模型,并将新模型嵌入FLAC3D有限差分软件中,模拟了不同工况下泥岩蠕变变形特性,并与室内试验结果进行了对比。结果表明:随着含水率的增大,岩体蠕变应变量增大,长期强度降低;相比天然条件,浸水环境使得岩体长期强度劣化更为严重,试样初始含水率越小,浸水条件对其蠕变变形影响越大;将岩体因水的劣化效应定义为蠕变参数的损伤因子,损伤因子随着含水率的增加而提高;考虑含水劣化效应的蠕变损伤本构模型数值模拟结果与室内试验结果基本吻合,验证了新模型的合理性。

周期扰动作用下软弱夹层剪切蠕变特性研究

动力扰动效应影响下的岩石蠕变特性研究,一直是岩土、采矿等领域关注的热点和难点问题,严重影响了边坡和地下岩土工程的安全稳定性。为研究周期扰动效应影响下软弱夹层(炭质泥页岩)的剪切蠕变特性,开展了不同扰动周期下软弱夹层分级加载剪切蠕变试验,得到周期扰动效应对软弱夹层剪切蠕变特性的影响规律。基于改进的开尔文体和黏塑性体(考虑损伤变量D和加速蠕变阈值τ_(s)),引入扰动突增变形元件,构建了一种周期扰动效应影响下软弱夹层的新型剪切蠕变模型。研究结果表明:①随着扰动周期延长,软弱夹层的分级剪切蠕变应变值和累积剪切蠕变应变值均随之逐渐增大,蠕变总时长呈明显减小趋势,延性破坏特征增强;②随着扰动周期增加,软弱夹层的减速蠕变时间变长,稳态蠕变速率出现波动且波动程度不断加大;软弱夹层达到或超过破坏级剪应力后,其蠕变速率先减小,其后逐步趋向于零;③基于软弱夹层剪切蠕变特性,利用Levenberg-Marquardt优化算法确定了模型参数并验证了所建蠕变模型的可靠性。

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。

分级加载下薄层状岩石蠕变特性研究

为研究丹巴水电站薄层状岩石二云石英片岩的蠕变特性,在RLW–2000微机控制岩石三轴蠕变试验机上对试样进行加载方向分别为平行片理面(0)°、垂直片理面(90)°及与片理面成30°夹角3个方向的单轴蠕变试验。基于试验结果,研究不同加载方向的蠕变规律;分析片理面对二云石英片岩蠕变的影响。根据蠕变曲线的特征,采用改进的西原模型对二云石英片岩蠕变进行辨识,并根据试样的蠕变试验数据拟合出改进的西原模型参数,拟合结果与试验数据比较吻合。同时,试验结果还表明,3种加载方向的长期强度为对应单轴抗压强度的0.6～0.7倍,这些结论对今后丹巴水电站二云石英片岩的研究具有重要的指导意义。

蠕动型滑坡滑带土蠕变特性研究

蠕动型滑坡表现为长期缓慢的变形响应,其演化过程和稳定性受到滑坡滑带土蠕变性质的控制。选取三峡库区典型蠕动型滑坡马家沟滑坡为研究对象,针对该滑体滑带土原状试样开展大尺寸三轴蠕变试验,研究滑带土试样在不同围压和应力水平下的蠕变规律,并进一步采用等时曲线法确定滑带土长期强度与常规强度的差异。研究结果表明,马家沟滑坡滑带土具有典型的稳定蠕变材料特性,蠕变阶段可分为衰减蠕变和稳定蠕变2个变形过程,其变形趋势与滑坡宏观变形演化具有较好的一致性;滑带土绝对蠕变量和稳定蠕变阶段的变形速率均与轴向应力值呈正相关,而衰减蠕变阶段的持续时长随着剪应力水平增加基本呈线性增加。滑带土长期强度参数与常规强度参数比较,其长期黏聚力c值和长期内摩擦角?值分别下降24.8%和22.4%。

坝基硬岩蠕变特性试验及其蠕变全过程中的渗流规律

采用先进的岩石全自动流变伺服仪,对坝基坚硬岩石变质火山角砾岩进行渗透水压力作用下的三轴流变力学试验。基于试验结果,研究变质火山角砾岩在不同围压下的蠕变特性,并分析岩石蠕变全过程中渗流速率随时间的变化规律。研究结果表明,当所施加应力水平小于岩石破裂应力水平时,变质火山角砾岩轴向蠕变变形不明显,且主要表现为稳态蠕变;当施加应力水平大于或小于但接近岩石破裂应力水平时,出现明显蠕变变形,蠕变速率开始增加,且发生加速蠕变破裂,表现出较为明显的加速蠕变特性。变质火山角砾岩环向蠕变变形量明显大于轴向蠕变变形量,表现出明显体积扩容现象。变质火山角砾岩稳态蠕变阶段的渗流速率随时间变化不大,但加速蠕变阶段的渗流速率明显增大,围压2MPa下变质火山角砾岩的渗流加速度大于围压6MPa下的渗流加速度。试验结果旨在为岩石流变本构模型及参数辨识提供可靠的试验依据。

黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性研究

为了研究黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性和长期强度,进行了室内流变试验。试验表明,滑带土具有较强的流变特性。基于非线性Boltzmann迭加原理处理的蠕变曲线簇具有很好的相似性。并根据蠕变试验成果,建立了反映滑带土蠕变特性的Burger's蠕变模型,进行了定常Burger's蠕变模型的参数辨识。最后,比较了滑带土的长期强度包线与峰值强度包线,结果表明,长期强度要比相应的应力状态下的峰值强度减少30%左右。

含瓦斯煤岩三维蠕变特性及蠕变模型研究

研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性是理解煤与瓦斯突出孕育过程中瓦斯和煤岩相互作用关系的重要方面,而目前含瓦斯煤岩三维蠕变特性的研究很少,因此需要进一步深入研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性。基于这一认识,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变实验装置,对取自重庆松藻煤矿的煤样进行含瓦斯煤岩三轴蠕变试验。研究结果表明,含瓦斯煤岩的三轴蠕变特性具有明显的蠕变规律。在含瓦斯煤岩三维蠕变特性的基础上,通过改进西原模型的参数,建立改进的西原模型,由此推导出含瓦斯煤岩三维应力状态下的蠕变方程,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。利用含瓦斯煤岩的蠕变试验结果,对三维蠕变方程进行验证,发现理论结果与试验数据有着很好的一致性。研究结果表明,由改进的西原模型推导出的含瓦斯煤岩三维蠕变方程能真实反映含瓦斯煤岩的蠕变特性。