冻融循环作用下炭质页岩蠕变模型研究

冻融循环作用下炭质页岩蠕变是高速公路高陡边坡稳定性研究的热点问题之一。为揭示冻融循环作用下炭质页岩的蠕变特性，将炭质页岩试样分别进行0次、5次、15次、25次冻融循环，在围压为4 MPa条件下，采用分级增量加载方式对试样进行三轴压缩蠕变试验，试验发现冻融作用下炭质页岩蠕变具有明显的非线性特征，轴向应变随冻融循环次数、应力水平和时间增加而增大；根据蠕变曲线特征，将蠕变曲线分为2个阶段，即稳定蠕变阶段和不稳定蠕变阶段；利用损伤定义及Lemaitre应变等效方程，建立稳定蠕变阶段的冻融损伤演化方程；基于损伤力学和概率统计理论，采用Von-misses屈服准则，建立不稳定蠕变阶段的冻融和蠕变耦合损伤方程；通过引入冻融和蠕变损伤变量对Burgers模型参数进行修正，建立冻融作用下的蠕变损伤模型。研究表明：岩石损伤随冻融循环次数增加而增大，但损伤增加速率减小，最终趋于稳定；冻融和蠕变耦合作用下，冻融作用使得岩石损伤累积，会加快岩石的蠕变破坏；分段建立的损伤方程能较好地揭示岩石损伤随冻融循环次数、应力水平和时间增加的变化规律；改进的蠕变模型与试验曲线拟合度较好，且参数物理意义明确。研究成果能为炭质页岩高陡边坡稳定性分析提供理论参考。     

基于最小耗能原理的海棠山隧道围岩蠕变损伤模型

为了研究海棠山隧道围岩的长期稳定性,采用MTS815.02试验机对砂岩展开不同围压作用下的三轴蠕变试验,进而分析了围岩在不同围压作用下的长期变形特性。通过结合最小耗能原理建立损伤模型,以能量角度研究岩石的性能劣化规律和蠕变特性。研究结果表明:岩石在变形过程中的能量耗散规律与岩石内部损伤演化规律是一致的,结合最小耗能原理引入内变量,较好地反映岩石内部应力-应变变化状态,将岩石损伤演化规律以能量变化方式呈现出来,也较好地描述了岩石内部能量耗散具体过程;当施加在岩石的应力水平较高时,才会出现稳定蠕变和加速蠕变现象,否则蠕变变形只有衰减蠕变变形,同时,围压的增高不仅增大了试样的破坏应力水平,同时延缓了轴向蠕变变形。最终通过砂岩蠕变试验曲线与模型曲线的高吻合度,这说明了基于最小耗能原理来建立非线性蠕变损伤模型,对砂岩蠕变全过程演化规律描述是合适可行的,也充分地说明将岩石作为耗散结构来确定岩石损伤程度以及反映岩石蠕变全过程变形规律是正确的;该模型对于不同围压作用下花岗岩蠕变特性也有较好地描述,计算曲线和试验数据拟合度较高,说明了该损伤模型的适用性广泛,对实际工程具有指导意义。     

季冻区路基土的能量损伤演化模型研究

依托辽宁阜新某公路路基土样,进行冻融循环试验及三轴压缩试验,分析不同含水率、围压、冻融次数下的弹性能变化规律;基于能量衰减定律,建立能量损伤演化模型,探索季冻区路基土的损伤规律。结果表明:含水率较高时试件应变与弹性能正相关,弹性能随冻融次数和含水率的增加而平顺,含水率较小时弹性能迅速升高出现峰值,然后逐渐减小最后趋于平稳;在围压加持下,随着应变的增加弹性能整体呈现先增大至峰值点后减小并趋于稳定的变化趋势,曲线相同应变位置的弹性能值随围压的增大而增大;能量损伤演化模型曲线与试验曲线吻合度较高,为季冻区冻土路基灾害防治提供了理论依据。     

沥青混合料拉压疲劳损伤试验

为研究沥青路面结构实际处于拉压应力作用下的疲劳损伤特性,针对沥青混合料AC-13开展了连续式交变正弦波形加载的小梁拉压疲劳试验。依据损伤力学基本理论,采用唯象学方法分析了沥青混合料的拉压疲劳损伤特性。介绍了拉压疲劳试验方法及影响因素,根据疲劳试验结果得到了拉压疲劳方程;基于弹性模量定义的损伤变量,建立了拉压疲劳损伤模型,拟合疲劳试验结果确定了损伤参数,获得了考虑应力水平的拉压疲劳损伤演化方程。研究结果表明:疲劳损伤参数α、β随应力水平增大而增大,且近似呈线性关系;拉压疲劳损伤演化大致呈3阶段变化规律,即损伤萌生、损伤稳定增长和损伤失稳破坏阶段;应力水平越大的损伤演化曲线越靠下,随寿命比变化疲劳损伤演化速度越缓和。     

砂岩多级循环荷载损伤耗能特征试验研究

为研究动荷载频率、荷载水平和围压对砂岩的损伤耗能特征的影响,用电液伺服岩石三轴试验机TAW—2000对较软白砂岩和硬质红砂岩进行围压0.5MPa和1MPa,频率0.2Hz、0.5Hz、1、2Hz,加卸载波型为余弦波的多级循环荷载试验。试验结果表明:围压和频率对砂岩动荷载能耗特征影响不明显;荷载水平是决定滞回圈面积、动弹性模量和能耗比的主要因素,两种砂岩的滞回圈面积均随着轴向荷载增加而增加;当轴向应变达到最大轴向应变的0.8倍时,砂岩由应变硬化转向应变软化。两种砂岩的能耗比随轴向荷载的增加呈"U"型变化。     

木寨岭隧道炭质板岩流变力学特性研究

为深入探究木寨岭隧道工程中炭质板岩的流变力学特性,在不同条件下,对现场取得的岩样进行单轴和三轴压缩蠕变试验,并对炭质板岩的蠕变特性进行分析,描述了炭质板岩的流变特性,得出了瞬时应变占总应变的比例为80%~90%,以及高围压下的流变多为等速流变等结论;采用Burgers流变本构模型,对试验数据进行参数拟合分析,得出了3组不同围压下炭质板岩流变本构方程的弹性模量、黏性模量、黏滞系数等主要参数。     

沥青混凝土材料细观损伤演化研究

在对沥青路面芯样进行轴向压缩疲劳试验时,结合CT扫描技术拍摄了不同疲劳阶段下沥青混凝土的细观结构图像,利用CT图像计算分析试件疲劳损伤演化过程,提出相应的损伤变量并获得材料的损伤演化方程。在有限的试验研究基础上,运用该方法研究不同级配条件下的沥青混凝土的损伤演化是可行的。     

基于图像技术的沥青混合料细观损伤演化研究

借助于CT图像技术,以AC20、SMA16、ATB25混合料为试验研究对象,从细观角度对沥青混合料单轴压缩条件下的损伤演化规律进行了探讨。研究结果表明：在混合料损伤演化过程中,空隙对试件的变形起着控制作用;加载速度对内部裂纹的扩展速率和发育程度有重要的影响;温度对混合料的极限强度和裂纹扩展行为有显著影响;内部CT数等值线与外部同值等值线的连通可以作为启裂位置和损伤产生的判据。体应变为0的应力阶段所对应的损伤值可作为损伤门槛值,且损伤分维数与应力之间呈非线性关系,并随着损伤的演化发展逐渐增加。     

干湿循环作用下炭质泥岩溶蚀孔隙度的化学计量方法

为建立干湿循环作用下炭质泥岩溶蚀孔隙度的化学计量方法,对干湿循环作用后的炭质泥岩试样进行X射线衍射试验,测试干湿循环作用下炭质泥岩的矿物成份演变;同时,采用电感耦合等离子发射光谱测试技术,研究干湿循环作用下炭质泥岩浸泡溶液的离子浓度变化规律;基于离子守恒定律,推断干湿循环作用下炭质泥岩矿物发生的化学反应;在此基础上,建立浸泡溶液离子浓度与炭质泥岩矿物反应量的定量关系,并计算炭质泥岩各矿物反应的体积;基于唯象理论,提出以反应物与生成物的体积差为溶蚀孔隙体积增量,构建炭质泥岩溶蚀孔隙度的化学计量方法;最后,利用比重瓶法和核磁共振法对炭质泥岩溶蚀孔隙度的计算结果进行验证。结果表明：干湿循环作用下炭质泥岩的方解石、钾长石和钠长石含量减小,高岭石含量增加;随干湿循环次数增加,浸泡溶液中Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Fe²⁺和Al³⁺离子浓度均增加,其中Ca²⁺离子浓度增长速率是其他阳离子的数十倍;经化学分析发现,方解石溶蚀和长石水解生成高岭石是干湿循环作用下炭质泥岩孔隙演...     

闪长岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟研究

采用微机控制伺服岩石三轴剪切流变试验机对闪长岩进行单轴压缩试验,利用RFPA分析系统模拟岩石破裂过程,详细分析了单轴压缩下闪长岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。研究结果表明:闪长岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的36.6%、55.5%、75.6%;在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值,以应变值为基础建立闪长岩损伤与裂隙演化之间的联系,定量分析了闪长岩裂隙演化4个阶段下损伤变量的变化;针对闪长岩应力～应变曲线出现"阶梯式下降"现象,结合试样破坏前后对比分析,发现是由于初始试样中存在一条富含石英颗粒的斜面所导致,提出闪长岩单轴压缩下破坏模式为竖向劈裂与剪切组合破坏;根据RFPA模拟得到闪长岩破裂结果,发现当加载应力达到峰值应力的54.1%时,闪长岩内部出现微裂纹,当加载应力达到峰值应力的75.4%时,闪长岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹,在显裂纹区域出现应力集中现象,使得显裂纹相互贯通,最终导致闪长岩的宏观破坏;通过试验和模拟对闪长岩的破坏强度、裂隙随应力变化规律、破坏模式方面进行相互印证,分析了单轴压缩下闪长岩的单轴压缩破坏过程。     

基于D-P准则千枚岩变形破坏统计损伤本构模型研究

在分析岩石变形机理基础上，选用Drucker-Prager准则和推广的Lemaitre应变等价性原理，在统计损伤变形理论基础上考虑岩石初始损伤阈值，建立能表达绢云母千枚岩变形破坏全过程的统计损伤本构模型，对岩石三轴围压条件下应力-应变曲线进行拟合。引入损伤修正参数q对完全破坏阶段的变形过程进行修正，利用公式法代替传统比较法所得到的参数；修正后模型能更好地反映绢云母千枚岩处于完全破坏阶段变形特征，常规物理力学试验即可得到相应模型参数。探讨不同围压下分布参数对本构模型影响，验证该模型的准确性和可行性。     

贯穿裂隙岩体峰后变形特性研究

岩体峰后变形反映了其峰值强度后屈服、弱化的规律,为探寻规律,用RLW-1000型岩石三轴伺服刚性机,对不同倾角贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,得到贯穿裂隙岩体的泊松比、峰值应变、峰后体积应变等的变化规律.经试验数据分析表明:峰后软化阶段的泊松比最大,峰值前弹性阶段泊松比最小,三个阶段的泊松比值与裂隙倾角基本无关;峰值应变基本随着裂隙倾角的增大而减小;峰后体积应变速率随着裂隙倾角的增大而减小.     

单轴压缩下不同长度单裂隙岩体能量损伤演化机制

为探寻裂隙岩体变形破坏过程中内在的能量演化机制,基于岩石能量耗散理论和室内试验数据,研究了单轴压缩条件下单裂隙岩体变形破坏过程中各能量指标（总能量、弹性应变能及耗散能）演化规律,分析了裂隙长度变化对岩样力学特性、破坏模式、各能量指标及峰前能量突变幅度的影响规律。研究结果表明：裂隙岩体的峰值强度、峰值应变及弹性模量均随裂隙长度增大呈逐渐减小趋势,岩样最终的破坏模式主要为拉剪复合破坏;依据岩样变形破坏过程中耗散能演化规律可将裂隙岩体受荷能量损伤划分为初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、突变损伤阶段、加速损伤阶段及损伤破坏阶段6个阶段;峰值点岩样的总能量、弹性应变能及耗散能均随裂隙长度的增大而逐渐减小,但耗散能减小幅度最小;储能极限随裂隙长度变化拟合公式符合指数递减规律;岩样峰前能量突变幅度随着裂隙长度的增加而逐渐减小,且能量突变幅度越大,引起裂纹损伤扩展程度越严重。研究成果对于深化认识裂隙岩体的能量演化机制具有重要的理论价值和实际意义。     

高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率室内模型试验

研究不同工况条件下高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率,对于进一步优化该新兴技术,实现高强度高磨蚀性地层TBM高效安全掘进具有重要意义。为此,基于室内滚刀贯入模型试验,对不同低围压作用(围压p₀=0,1.25,2.5 MPa)以及不同高压水刀预切割竖向裂缝几何参数(切缝深度H=10,20 mm,预切缝-刀具轴线间距L=0,20,40 mm)条件下高磨蚀性硬岩试样滚刀贯入破碎过程及破岩效率影响规律展开研究。试验结果表明:低围压且无预切缝条件下,随着围压的增大,岩样峰值贯入荷载增大,贯入荷载-贯入度曲线跃进跌落次数增多,试样破坏特征从脆性破坏向延性破坏转化,无围压条件下高强度高磨蚀性地层TBM掘进难度高于常规强度地层和高强度磨蚀性地层;低围压且有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L=0时,岩样发生劈裂模式破坏,无围压条件下,L=0时,其峰值贯入荷载显著小于L≠0情况,有围压条件下,L=0时,岩样达到峰值贯入荷载所对应的贯入度显著大于L≠0情况;有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L≠0时,预切缝深度H越大,破岩效率越高,较大的高压水刀切割深度H能够降低高强度高磨蚀地层TBM掘进中滚刀的磨损率;有预切缝条件下,当预切缝深度H一定时,不同L值下的岩样峰值贯入荷载及对应的贯入度都随着围压增大而增大,而当L值较大时,一定程度上需提高掘进推力才能够实现高效破岩。     

温度对旋转钻进破岩功耗的影响研究

岩石在常温、常压下的变形破坏理论已非常成熟，但随着钻探深度不断的增加，岩石将要面临高地温、高围压的环境，这些因素将直接影响钻进过程。通过研究旋转钻进过程中能量的传递转移，建立岩石破碎的简化模型，利用单位体积破岩能耗来探究温度对钻进过程的影响。研究结果表明:随着钻进深度的增加，在一定的围压作用下，温度升高而岩石的弹性模量却逐渐减小，压入深度随温度升高呈抛物线形上升，破岩功耗随温度呈曲线上升，并在经过阀值温度400℃后趋于平缓。     

基于损伤扩容理论的圆形隧洞围岩松动圈位移计算方法

为解决传统弹塑性力学理论在计算时未考虑实际围岩卸载时的扩容效应导致的位移设计值预测误差较大的问题，通过考虑不同应力状态下围岩损伤扩容系数的不同，建立圆形隧洞开挖松弛位移的分层总和法理论计算方法，提出以洞壁处围岩损伤扩容状态为控制值的围岩开挖位移预警值计算方法。结合分水江引水隧洞工程实例，对不同围岩级别、不同埋深、洞壁围岩的不同扩容效应（即不同支护状态）时圆形隧洞开挖后洞壁围岩位移变化规律进行分析，提出以圆形隧洞为基础的围岩预警值理论计算经验公式。由实际应用结果表明： 考虑扩容效应的围压位移分层总和法计算值比弹塑性理论计算值大3倍以上，计算结果更符合实际情况。     

炭质泥岩地层大变形偏压隧道施工技术

软岩大变形问题是目前地下工程界的主要研究方向之一,复杂的地质条件,围岩因素的不确定性,岩石变形机制的复杂性,施工方法和技术的选用等因素都会对隧道围岩的稳定性产生不利的影响。兴源隧道位于我国东北高寒高纬度地区,隧道穿越炭质泥岩地层,属于软岩大变形偏压隧道,针对该类地质环境下出现的地质灾害情况,从围岩变形原因分析着手制定围岩变形控制基准,以此为依据综合采取一系列的措施控制围岩的变形同时提高工程施工进度,包括如开挖设备革新、长大锁脚的使用等措施,为该类地质隧道的施工提供了新的思路。     

某隧道高地应力近水平岩层白云岩三轴试验研究

依托某高地应力近水平岩层硬脆围岩隧道,通过现场钻孔取芯进行岩芯三轴压缩试验。研究表明:白云岩在低围压下发生张拉劈裂和剪切破坏,在高围压下主要发生剪切破坏。通过三轴试验,得到高（30、35 MPa）低（10、15 MPa）不同围压下白云岩的应力-应变关系,通过绘制应力莫尔圆获得白云岩的强度参数:弹模E=31.91 GPa,黏聚力c=22 MPa,内摩擦角φ=47°,并得到白云岩的强度表达式,可为原岩应力的获取提供依据。