南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,本文采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系,试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,本文提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型

钙质砂是一种海洋生物沉积形成的具有特殊结构和力学性质的岩土材料,是我国南海岛礁吹填工程的物源材料。为进一步了解其蠕变特性,本文采用三轴流变仪对取自中国南海某岛礁的钙质砂进行不同围压条件下的长期蠕变试验研究。试验结果表明,在小于其破坏强度的恒定应力作用下,饱和钙质砂发生衰减蠕变,随时间增加,变形不断增加,但变形速率不断减小,直至变形稳定,所受应力越大则达到变形稳定所需时间越长,且蠕变变形量与所受偏应力正相关、与有效围压反相关。应力-应变与应变-时间均为非线性关系,试验研究发现,可采用幂函数对钙质砂蠕变应变-时间进行数学描述,基于试验结果,本文提出了一种蠕变应变与时间、偏应力和有效围压相关的四参数新的蠕变模型,可以对钙质砂的蠕变过程进行较好的数学描述;与经典的Mesri蠕变模型相比,所提出的数学蠕变模型不需要开展常规三轴压缩试验确定破坏时的峰值偏应力,减少了试验工作,具有一定的优势。     

分散性土蠕变特性试验研究

采用三轴蠕变仪对宁木特水利枢纽工程黏土心墙的分散性土进行三轴固结排水试验,研究分散性土在不同初始条件下的蠕变变形规律,并获取蠕变模型及蠕变参数。试验结果表明,分散性土具有明显的非线性蠕变特征,蠕变过程可以分为瞬时弹塑性变形、衰减蠕变变形和稳定蠕变变形3个阶段;含水率、围压和偏应力水平对分散性土蠕变速率和蠕变量有显著的影响;应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征。采用Singh-Mitchell蠕变模型和Mesri蠕变模型描述分散性土的蠕变特性,与试验数据对比表明,Mesri蠕变模型能够比较准确而方便地描述分散性土的蠕变特性,且模型具有参数少、适用性较强的特点。     

三峡库区马家沟滑坡滑体粗粒土蠕变试验研究

为进行滑坡建模和数值模拟的需要,针对三峡库区马家沟滑坡滑体粗粒土开展了三轴蠕变试验,研究了不同围压、不同应力水平下滑体土的蠕变变形规律。试验表明,滑体粗粒土具有明显的非线性蠕变特征,蠕变过程可分为减速蠕变和匀速蠕变2个阶段;围压和应力水平对蠕变速率和蠕变阶段划分有重要影响。采用应力-应变关系为指数函数,应变-时间为幂函数的Singh-Mitchell（简称S-M）蠕变模型描述粗粒土的蠕变特性,与试验数据对比表明,S-M蠕变模型与试验结果具有较好的一致性,能很好地描述该粗粒土的蠕变特性。     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷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相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。     

k0固结条件下淤泥土排水蠕变特性研究

利用室内试验研究土体蠕变特性时,因受试验条件限制较少开展土体的排水蠕变特性试验研究。对于先还原土体的先期固结条件,然后再开展土体的三轴排水蠕变特性试验的研究更少。为此,以淤泥土为研究对象,通过 固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的排水蠕变特性。由试验数据可知：排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。首次利用三单元力学模型推测出淤泥土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的100～200 min之间。提出淤泥土蠕变系数的概念并总结其变化规律,得知淤泥土的蠕变系数与偏应力水平密切相关,即不论围压及加载方式如何,蠕变系数均随应力水平增大而增大,且基本呈直线关系,而与前期固结围压大小、蠕变荷载施加方式关系不大。最后提出了淤泥土蠕变本构模型建立的思路,即用南水双屈服面模型描述瞬时变形量和用蠕变经验公式描述蠕变变形量相结合的方式来建立蠕变本构模型。     

营口软土的固结不排水剪切蠕变特性

利用自行改装后的三轴蠕变仪对海相沉积的营口软土进行蠕变试验,获得了在不同围压、不同偏应力条件下的剪切应变与时间关系数据。分析表明:(1)固结不排水蠕变中没有体积变化,不同偏应力下剪切蠕变可用对数形式表达;(2)固结不排水剪切蠕变在低应力水平下表现为线性粘弹性,而高应力水平时则具非线性的特性。由此,提出了描述软土蠕变规律的Singh-Mitchell经验模型和五参数的广义Kelvin模型,并确定了相应的模型参数。与试验数据拟合发现:Singh-Mitchell经验模型对应力水平为20%~80%时具有较高的拟合精度;Kelvin模型中的变形模量和粘滞系数均不为常数。     

卸荷蠕变条件下软硬相接岩层非协调变形规律研究

软硬相接岩层在长时间跨度内的蠕变变形可能极为不协调,这对开挖工程安全稳定造成严重威胁。对某水电站引水隧洞同一开挖断面内砂质泥岩和泥质砂岩两种软硬相差较大的岩石进行卸荷条件下的蠕变试验和数值模拟,结果表明：在卸围压条件下,试样侧向蠕变变形较轴向发展更为迅速,呈现出显著的侧向扩容;初始围压水平较高时,试样卸荷蠕变破坏的侧向扩容效应更加显著;泥质砂岩在稳态蠕变阶段变形速率比砂质泥岩更慢,蠕变破坏时的应变值均比砂质泥岩蠕变破坏时的应变值要小,征兆性更弱。基于Burgers模型,引入损伤变量,建立带损伤的蠕变本构模型,模型曲线较好地描述了岩石破坏偏应力水平之前的线性蠕变特征和破坏偏应力水平下的非线性加速蠕变特征;软硬相接岩层蠕变数值模拟表明,蠕变变形初期,软硬相接点变形差别幅度不大,随着时间增长,在交接面处发生层间错动,对围岩整体稳定十分不利,工程实践中应予以足够关注。     

海底隧道风化花岗岩流变试验研究

采用全自动三轴流变试验机对厦门东通道海底隧道风化槽地段岩石进行三轴压缩流变试验,研究了岩石在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律。试验表明,强风化花岗岩时效特性较全风化花岗岩更加明显;围压对岩石蠕变变形存在很大影响,围压越大,蠕变变形量越小。通过分析岩石压缩流变过程中应力-应变关系可知,蠕变变形在弹性阶段不对岩石整体构成明显损伤。而进入塑性阶段后,黏塑性变形对岩石破坏影响较大。建议通过支护增加围压,以提高隧道围岩屈服强度和减小流变变形,防止隧道失稳破坏。     

九甸峡堆石料三轴蠕变试验初探

堆石料蠕变变形,是高土石坝设计中关注的主要问题之一,目前尚未很好解决。针对当前高土石坝的需要,采用大型高压三轴蠕变仪进行了堆石蠕变试验。通过试验,对堆石的三轴蠕变试验方法进行论述,并对堆石三轴蠕变试验中的蠕变时间起点、蠕变变形稳定标准进行了讨论,同时建议了三轴蠕变试验中蠕变时间起点和蠕变稳定的参考标准。试验结果表明,堆石的蠕变变形与围压及应力水平有关,特别在高围压、高应力水平作用下,蠕变稳定明显缓慢;在双对数坐标下,蠕变变形与时间呈较好的线性关系,且不同应力状态下的堆石蠕变规律基本相似。     

深层膏质泥岩蠕变特性及非线性蠕变模型研究

泥岩作为油气储层常见复杂介质,在深部高温、高压环境下蠕变力学特性异常复杂,是引起套管损伤破坏的重要因素。以深部油气藏工程含膏质泥岩为研究对象,首先开展了高温为130 ℃、高围压为30 MPa、不同偏应力水平下多试样、单级加载三轴蠕变试验。该泥岩呈显著的时效力学特性,蠕变应力阀值较低,应力和持时对蠕变特性存在显著影响,低应力、长时间作用下泥岩亦呈现明显的稳态蠕变和加速蠕变破坏,且加速蠕变起始时间随应力增加呈指数降低关系。其次探讨了泥岩加速蠕变和强度损伤特性,提出了蠕变损伤起始时间概念,认为泥岩内部蠕变损伤变量可用指数函数予以描述。最后,基于蠕变损伤变量和起始时间,构建考虑泥岩加速蠕变的非线性改进Burgers蠕变模型,对蠕变参数开展辨识和分析,所选模型可准确地对深层膏质泥岩蠕变特性进行描述。研究成果旨在为深部泥岩油气藏套管工程长期稳定分析及安全评价提供可靠的依据。     

软黏土蠕变试验及其经验模型研究

针对湖南竹城公路路基软土开展了系统的三轴固结不排水蠕变试验,得到不同围压、不同应力加载等级下的全过程蠕变曲线。进而通过“陈氏加载法”得到分别加载下蠕变曲线和应力-应变等时曲线。以围压100 kPa为例,得出应力-应变关系采用幂函数,而应变-时间关系采用双曲线关系的蠕变方程。对比分析表明,该蠕变方程较Singh-Mitchell模型、Mesri模型更适应试验数据,能够更好地反映和预测该软土的蠕变特性。     

基质吸力控制下的非饱和黄土三轴蠕变试验研究

针对研究区(黑方台地区)黄土的非饱和蠕变特性,采用改进型的FSR-10非饱和三轴蠕变仪进行了基质吸力控制条件下的三轴蠕变试验,研究发现:（1）当施加的偏应力较小时,黄土的变形较小,并具有一定程度的可恢复性,随着偏应力的增加,土颗粒需经过较长的时间才能够移动到新的位置,达到新的平衡,当偏应力增加到一定程度时,颗粒移动难以达到平衡,土样发生破坏。（2）在其他条件相同的情况下,围压与试样产生的变形量呈负相关,且围压越小,变形达到稳定所需的时间也越长;（3）在围压和偏应力水平一定的情况下,土体的变形量随基质吸力呈负相关,且基质吸力越小,蠕变曲线达到稳定所需的时间越长。     

地震荷载作用下南海非饱和钙质砂动力特性研究

以往对钙质砂动力特性的研究多关注饱和状态的钙质砂,且试验过程中多施加正弦波以代替地震荷载。为克服这一缺陷,提出一种地震荷载加速度时程转化为应力时程的动三轴地震荷载输入方法,选取南海地区钙质砂进行动三轴试验,研究非饱和状态下钙质砂在单个地震荷载持续时间内和多个地震荷载持续时间内的动力特性。试验表明：在地震荷载作用下,钙质砂应变和孔压发展呈现阶梯状,破坏应变既有正值也有负值,即破坏类型既有拉伸破坏也有压缩破坏,这有别于正弦荷载下的动孔压和动应变发展规律;随着基质吸力增大,试样破坏时最大动孔压呈现递减趋势,钙质砂试样破坏时的最大孔压均未达到有效围压。     

南海钙质砂宏细观破碎力学特性

针对取自我国南部某海域的钙质砂样本,做了以下两方面工作：一是通过电子显微镜获取了钙质砂颗粒的几何投影图像,利用图像处理技术对图形进行黑白二值化处理,获取单元颗粒形状轮廓边界,使用圆度和粗糙度2个参数对钙质砂的颗粒形状进行定义和量化。二是通过不同围压下的三轴固结排水剪切试验及试验前后的颗分测量对比,研究了颗粒破碎对钙质砂的变形、强度、能量耗散等特性的影响。研究表明,大粒径钙质砂（粒径大于2.0 mm）和小粒径钙质砂（粒径小于0.5 mm）形态比较接近圆形、颗粒表面相对光滑;相比而言,中间粒径（粒径介于0.5～2.0 mm之间）钙质砂形状较不规则,表面棱角较多。钙质砂在三轴排水剪切过程中发生颗粒破碎,试样向着级配均匀的方向发展。随着初始围压的增大,颗粒破碎程度加大,土样整体剪胀趋势减小,而破碎引起的能量耗散增加。而在高围压（初始围压为600 kPa）剪切过程中,仅考虑摩擦耗散,以及同时考虑摩擦、体积耗散两种情况下,计算得到的最大颗粒破碎耗散分别可达土样总输入塑性功的25%和18%。     

冻结膨胀土应力-应变关系试验研究

通过冻结膨胀土三轴力学试验,主要研究了土体在不同温度与围压条件下的应力-应变关系.结果表明：冻结膨胀土的应力-应变曲线为应变硬化型,具有明显的弹塑性变形阶段;在相同围压条件下,随着温度的降低,偏应力增量随应变的增加而增大,最终达到塑性破坏时应力也随之增大. 通过回归分析,抗压强度与温度呈良好的线性关系.随着围压的增加,土体进入塑性变形阶段时的应力有所提高,抗压强度也随之增加,相比温度,围压对抗压强度的影响不是很大.对试验数据进行拟合表明,应用邓肯-张模型能够很好的描述冻结膨胀土应力-应变关系.     

冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测

利用ＣＴ手段观测了分析冻土三轴压缩蠕变过程中结构的变化情况，结果表明，蠕变过程中围压的作用抑制了冻土体中裂隙的增长，加强了结构的强化作用，致使冻土在不稳定蠕变阶段和稳定蠕变阶段表现出结构强化占优势，随着非弹性变弄的进一步累积，如果结构强化仍然占优势，则变形具有衰减特征；如果弱化作用克服了围压效应占主导，则发展以破坏而告终的非衰减蠕变，破坏首先发生在样品低密段的薄弱区，在样品表面形成拉伸裂缝，然后向