宁波软土流变试验及经验模型

为了研究宁波软土的流变特性及经验模型,进行一维固结流变试验和三轴排水流变试验,并采用西原模型拟合模型参数.试验对比分析表明,固结试验的侧限作用会阻碍试样流变的发展,应力-应变等时曲线偏向应力轴,而三轴流变试验试样的流变能够得到充分地发展,应力-应变等时曲线偏向应变轴,能够更好地体现软黏土的流变性状.将一维西原模型应力-应变关系扩展到三维,采用修正剑桥模型屈服函数描述材料的塑性屈服.推导荷载恒定时土样的轴向应变计算公式,根据三轴排水流变试验结果进行曲线拟合,确定西原模型参数.结果表明,该模型能够较好地符合宁波软土的流变规律.

RRTS–II型岩石流变扰动效应试验仪

深井软岩条件下扰动荷载会引起围岩流变变形,研制岩石流变扰动效应试验仪并进行试验,是建立巷道围岩本构关系的前提。试验仪应能对岩石试样施加长期恒定的轴压和围压,可以施加扰动荷载,并能测试扰动荷载及其引起的岩石变形量。为此研发的RRTS–II型岩石流变扰动效应试验仪,轴向荷载采用重力加载,适用于长期流变试验;加载采用齿轮与液压2级扩力,压力可达到100MPa,扩力比可达60～100倍;能够施加冲击与爆破2种扰动荷载,使用爆破振动记录仪测试扰动荷载强度,测量精度可达到0.015mm/s;配有三轴压力室,使用高压气体储能器提供围压,压力可达10MPa;并配备有荷载、位移、应变和振动测试系统及相应的数据处理软件。该试验仪适用于单轴和低围压三轴压缩蠕变扰动效应试验,试验结果表明,试验仪结构合理,性能稳定,精确度较高。

大理岩卸荷条件下弹黏塑性本构关系研究

利用TLW–2000型岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩进行恒轴压分级卸围压应力路径下的三轴流变试验,得到轴压恒定、不同围压下的应力–应变–时间曲线。根据卸荷应力路径下锦屏大理岩的流变变形特点,以Cristescu本构模型为基础,通过试验结果确定模型参数,并在模型参数的确定过程中考虑卸荷应力路径的影响。所建模型克服了三维元件组合模型不能考虑应力路径影响以及不能很好反映侧向流变变形规律的缺点。最后,用该模型对流变试验数据进行拟合,结果表明:该模型可以很好地描述卸荷应力路径下大理岩的整体变形随时间的变化规律。

软岩三轴卸荷流变力学特性及本构模型研究

以典型软岩-泥质粉砂岩为研究对象,进行了不同应力水平下的恒轴压、分级卸围压室内流变试验。试验结果表明,软岩在卸荷条件下的轴向及侧向流变变形较大,各向异性显著。在恒定围压较高时,轴向流变变形较大,而随着围压逐级降低,侧向流变变形发展较轴向更快,试样在破裂围压下的侧向变形远大于轴向。通过深入分析软岩卸荷流变试验成果可知,线性Burgers流变模型能较好地反映各级围压下流变曲线的衰减流变及稳态流变阶段,但对于破裂围压下的非线性加速流变阶段无法描述。基于上述分析,建立一个非线性损伤流变模型,采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对试验结果进行拟合,并获得软岩的非线性流变参数。经比较,拟合计算与试验曲线吻合程度很高,说明该流变模型能较好地反映软岩卸荷流变各阶段的曲线特征。

粉砂质泥岩的三轴蠕变试验研究

为了揭示分布于北天山中西部的志留系上统紫红色粉砂质泥岩的蠕变特性,为拟建于此的某深埋越岭特长隧洞的设计、施工,以及长期稳定问题评价提供依据,通过钻孔取样进行了三轴蠕变试验研究。试验在5台岩石三轴蠕变试验机上进行,围压分别为0、5、102、03、0 MPa。试验取得以下主要成果:1)揭示了这类黏土岩的蠕变特性可用西原模型加以描述,并由此建立了蠕变本构方程;2)采用曲线求参法求解了各流变参数;3)采用叠加原理与等时曲线法获得了岩石的长期强度;4)各蠕变参数随围压的升高而增大,长期强度较瞬时强度降低的幅度亦随围压升高而增大,单轴条件下降低25%,30MPa围压时降低52%;5)抗剪断长期强度较瞬时强度降低了60%(内聚力)和36%(内摩擦角)。这些成果为工程建设提供了科学依据,试验方法与成果整理方法可供同类工程参考。同时,还通过常规试验获得了该类岩石的主要物理力学性能,这将有助于蠕变试验成果在其他工程中类比使用。

三联隧道凝灰岩流变试验及其本构模型研究

基于三联隧道凝灰岩地层段大变形问题,利用室内蠕变试验方法,研究凝灰岩的流变特性。采用非线性拟合方法,比较分析H-K流变模型拟合值、Burgers流变模型拟合值与试验数据的关系,研究凝灰岩的蠕变变形特征、长期强度。研究结果表明:凝灰岩蠕变变形随时间趋于稳定,属于稳定蠕变。结合蠕变试验结果,数值模拟三联隧道凝灰岩地层段围岩的流变特性,验证了凝灰岩H-K流变模型的适用性。综合以上,H-K模型能够描述三联隧道凝灰岩的流变特征,且凝灰岩长期强度为瞬时强度的0.61倍。该成果对于三联隧道凝灰岩地层段隧道支护的优化调整,以及隧道结构长期稳定评价具有参考价值。

高围压岩石三轴流变试验仪研制

TLW-2000型岩石三轴蠕变试验仪是经科技部资助对原流变试验设备进行技术升级与改造项目的主要成果,能自动稳压、自动记录并能进行高围压三轴流变试验。介绍了该仪器的升级改造、各项性能指标校准及通过三轴流变试验对设备进行测试的情况。该设备稳压系统升级改造采用先进的伺服控制、滚珠丝杠和液压等技术组合,达到了良好的稳压效果。

锦屏水电站绿砂岩三轴卸荷流变试验及非线性损伤蠕变本构模型研究

以锦屏二级水电站引水隧洞绿砂岩为研究对象,采用恒轴压、逐级卸围压的应力路径开展室内流变试验,研究卸荷条件下的轴向及侧向变形特征。成果表明:侧向塑性变形的发展速率明显比轴向快,岩样破坏前在侧向反应要比轴向更为明显。在对流变试验数据进行深入分析基础上,从材料损伤的角度出发,认为岩石流变力学参数随着黏性应变的负指数形式逐步弱化,从而建立起岩石损伤演化方程及变参数非线性Burgers模型。基于Levenberg-Marquardt(LM)算法,以残差平方和为目标函数,对试验数据开展相应拟合,所获得的参数可较好反映蠕变曲线的非线性特征。经比较,计算曲线与试验点曲线比较接近,说明该流变本构模型能较好的反映出锦屏绿砂岩在卸荷条件下的衰减蠕变阶段和稳定流变特性。

大岗山坝区辉绿岩卸围压三轴流变试验及分析

为研究硬脆性岩体的卸荷流变力学特性,以大岗山水电站坝区为依托,经过现场采样取芯,采用三轴流变试验机,开展硬脆性辉绿岩不同应力路径下的三轴流变试验研究。研究结果表明：卸荷流变和加载流变都存在门槛效应;加载流变破坏的侧向应变为轴向应变的2~3倍,卸荷流变破坏时为1~7倍;加载流变破坏形态主要为剪切破坏,而卸荷流变破坏形态主要为劈裂破坏;轴向应力σ1恒定卸围压流变时岩样表现出的脆性比偏应力（σ1-σ3）恒定卸围压流变更为剧烈;二者的流变破坏破坏强度均比常规三轴强度低。

基于粘塑理论的岩石流变本构模型研究

基于热力学框架下的Perzyna粘塑理论,推导了适用于岩石的流变粘弹塑性本构模型,结合砂岩的三轴蠕变试验数据,对推导的本构模型的合理性与正确性进行了验证.结果表明:基于粘塑理论的流变本构模型可以较好地反映岩石的流变力学特性,对室内试验结果拟合得到的相关力学参数可以作为现场岩体流变力学特性评价的参考依据.

第三系软弱岩体蠕变理论

采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变试验机并配备三轴压力室，从而对泥岩进行了三轴蠕变试验．根据试验结果，提出了软弱岩体的蠕变理论，并用于地下工程应力场、位移场和流变地压的分析与计算．通过算例分析。

岩石流变扰动效应三轴试验系统

深井软岩巷道围岩易发生流变变形,且对外界扰动极为敏感,为研究岩石在不同流变状态下受外加扰动影响变形规律,在以往两种型号流变仪的基础上,研发出了RRTS-Ⅲ型岩石流变扰动效应三轴试验系统,流变仪主机提供了长期稳定的轴向压力,采用齿轮和液压两级扩力结构,扩力比达1∶100;注油式三轴压力室提供了长期稳定的围压,结构采用油气隔离的设计原理,液压泵能够最大提供50 MPa压力,精度为0.1 MPa;改进后的冲击扰动加载装置可操作性高,依据冲击作用原理设计出了IEPE动态力传感器,量程0~10 000 N,灵敏度0.497 mV/N,能够精确测量单次实际冲击扰动荷载大小;配备自动监测系统包括荷载、位移、应变和振动4种数据采集仪及处理软件。运用岩石流变扰动效应三轴试验系统初步进行了单轴流变扰动试验及三轴流变试验,其试验过程操作简便,数据结果可靠性较高。

岩体原位试验新技术在水电工程中的初步应用

我国西部地区大型水电工程岩体多处于复杂的地质环境,在高应力和强卸荷作用下表现出现有理论不能解释的新问题。为了研究西部大型水电工程中复杂岩体与高地应力引起的岩体变形破坏机理、岩体松弛特征、岩体流变特性以及破坏时效特性等复杂岩石力学与工程问题,专门研发和引进了几种新的岩体原位试验技术。简要介绍了现场岩体柔性承压板法流变试验技术、复杂应力路径下现场岩体高围压真三轴试验技术、现场坚硬岩体破坏时效三轴流变试验技术、岩体变形破坏声发射定位测试技术等几种新的岩体原位试验技术,以及这些试验技术应用于我国西部大型水电工程复杂岩体力学问题研究所取得的初步研究成果。

粉砂质泥岩流变力学参数的试验研究

通过对粉砂质泥岩进行围压37 MPa下的常规三轴压缩试验和三轴压缩流变试验,获得应力-应变曲线和蠕变曲线,对其瞬时力学性质和流变力学性质进行了比较,分析了长期荷载对粉砂质泥岩力学参数的影响,并利用改进的西原模型对围压5 MPa下的蠕变试验曲线进行了模拟.结果表明,该粉砂质泥岩具有明显的时间效应,其强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角等力学性质指标在长期荷载作用下均有不同程度降低,其中强度指标表现得最为明显,长期荷载对黏聚力的影响较大,而对内摩擦角的影响较小;所采用的改进西原模型能够很好地反映该粉砂质泥岩的流变力学特性.

岩石流变扰动效应三轴压缩试验研究

为了研究三向应力状态下扰动荷载引起的围岩流变变形规律,在岩石流变扰动效应单轴压缩试验研究的基础上,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统,选取红砂岩进行流变扰动效应三轴压缩试验,分析不同应力状态下流变扰动变形规律。试验结果表明:随着围压增大,各级流变变形量有所下降,长期强度增大,流变变形破坏滞后,破坏变形量有所增加;在进入扰动敏感区后,流变变形速率增大,变形不可恢复。最后,根据试验结果得出不同应力状态下岩石累计扰动变形量与累计扰动能量之间的本构方程。

锦屏大理岩卸荷流变变形特性试验

结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用TLW-2000岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩试样进行了分级卸围压流变试验。详细分析了恒轴压分级卸围压应力路径下岩石试样的轴向及侧向应变随时间的变化规律,并探讨了卸荷流变过程中岩样的应力应变关系以及流变过程中对岩样不可恢复变形的变化规律。分析认为卸围压不仅影响岩样的瞬时变形而且对流变变形也有很大影响;与卸荷瞬时相比,流变过程中侧向不可恢复变形相对于轴向发展更快;岩样破坏前在侧向的反应要比轴向更为剧烈和明显。通过试验研究掌握了大理岩卸荷流变的基本规律,从而为进一步理论模型的研究提供了可靠的试验数据。

岩体原位试验新技术在水工复杂岩体工程中的应用综述

为解决复杂岩石力学问题,研发了复杂应力路径岩体高压真三轴原位试验技术及流变试验技术、岩体原位大尺度模型试验技术以及岩体破裂扩展精细探测技术等岩体原位试验新技术,并将其应用于白鹤滩柱状节理玄武岩修建高拱坝适宜性、锦屏二级引水隧洞高应力条件下深埋岩体力学特性、乌江构皮滩垂直升船机软岩地基长期变形预测等水工复杂岩体工程关键技术问题的研究。主要研究成果为:①针对高地应力岩体和地下洞室开挖复杂应力路径岩体的变形破坏问题,获得了柱状节理玄武岩、深埋大理岩考虑中间主应力影响的非线性强度准则的强度参数;②针对高应力、复杂应力路径条件下复杂结构岩体的流变特性问题,获得了深埋大理岩流变参数;③针对柱状节理玄武岩松弛特性及预应力锚固防松弛措施,实现了柱状节理玄武岩开挖松弛过程以及岩体真三轴试验破坏过程声发射精细探测;④针对构皮滩超高垂直升船机桩-软岩复合地基长期变形问题,获得了桩-软岩复合地基流变参数。该成果提升了岩体原位试验技术水平,发展了岩石力学基础理论,对解决水工复杂条件下的岩石力学新问题提供了技术支撑。

黏塑流变本构模型力学参数辨识研究

伴随着各种复杂地质条件,大型地下洞室围岩流变特性与其长期稳定性密切相关,流变本构模型是认识围岩流变力学特性非常重要的一个方面。流变本构模型力学参数是流变本构模型准确应用的一个首要条件。本文主要开展了三个方面的工作:(1)研究推导了岩体黏塑流变本构模型,对其力学参数进行了理论分析;(2)对砂岩进行了不同围压下瞬时三轴压缩试验和三轴流变压缩试验,得到了砂岩相关试验数据,其可以较好的反映砂岩的瞬时力学特性和流变力学特性;(3)基于不同围压下瞬时三轴压缩试验和三轴流变压缩试验,结合改进粒子群优化算法,对流变本构模型的力学参数进行了拟合优化,得到了不同围压下整体流变力学参数。与试验数据对比发现,拟合得到的流变模型力学参数可以较好的反映岩体的流变力学特性,可以为流变本构模型实际应用提供参考。

一种软粘土三轴流变试验的数值模拟技术

在进行软粘土三轴流变试验有限元数值模拟时,引进了切向弹性抗力约束和位移约束关联技术对试验机与试样的接触面进行模拟,研制了相应的有限元计算程序。以上海地区某软土工程的三轴流变试验为实例,进行了有限元数值模拟计算,计算结果与试验所得结果十分相吻合。

考虑结构性的天然软粘土流变特性研究

基于边界面弹塑性理论,提出一种可同时考虑软土结构性与长期变形特性的边界面弹塑性本构模型。通过对温州某海堤工程天然软土的原状样分别进行一维压缩试验和三轴流变试验,考查了多组不同加载等级、围压和固结应力比下,温州天然结构性软粘土的流变变形特征。采用该模型对三轴流变试验进行了数值模拟验证其正确性。