断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型
砂质泥岩的剪切蠕变特性和本构模型探究
砂质泥岩的剪切蠕变特性和本构模型探究
李男;徐辉;简文星
【期刊名称】《铁道建筑》
【年(卷),期】2011(000)002
【摘要】软弱岩层的蠕变特性往往对边坡的稳定性有着重要的控制作用.本文以四川省宣汉县天台乡滑坡为研究背景,对其软弱岩层-紫红色砂质泥岩进行了剪切蠕变试验.利用广义Kelvin模型对砂质泥岩的剪切蠕变试验曲线进行了拟合,同时获得了各级剪应力下的模型参数,为了很好地描述砂质泥岩的加速蠕变阶段,提出了一种考虑先期损伤量的损伤模型,可以为类似工程提供参考.
【总页数】4页(P82-85)
【作者】李男;徐辉;简文星
【作者单位】岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,武汉,430074;浙江大学建筑工程学院,杭州,310058;岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TU457
【相关文献】
1.粉砂质泥岩体积蠕变特性试验研究 [J], 于怀昌;刘激烈;王硕楠;刘艳刚;唐茂军
2.不同温度-应力场下泥岩蠕变特性及本构模型 [J], 袁前胜
3.花岗岩残积砂质黏性土的蠕变特性与本构模型 [J], 刘嘉
4.水-岩作用下粉砂质泥岩含水损伤本构模型 [J], 李安润;邓辉;王红娟;郑瀚;苟晓峰;潘远阳
5.饱水-失水循环条件下红层泥岩蠕变特性及本构模型研究 [J], 李安润;邓辉;王小雪;罗杰;张君
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破裂砂岩蠕变试验研究
第 29 卷
第5期
郭臣业，等. 破裂砂岩蠕变试验研究
• 991 •
载荷作用的岩石(煤 )会在一定条件下发生岩石 (煤 ) 的延期突出。延期突出与岩石(煤)的蠕变特性有重 要关系，因此研究破裂岩石(煤)蠕变特性，对揭示 地下工程灾害发生的时滞性和制定合理的防突措施 等有重要意义。 室内岩石蠕变试验是了解其蠕变特性的主要方 法， 以往对岩石蠕变试验的研究多集中在岩石应力– 应变曲线峰值之前 ，即在岩石未破坏时加恒定载 荷，观察岩石的应变或位移随时间的变化情况。J. C. 耶格等
(1) 在围压下将砂岩试件加载到峰后区预先设
定的点，然后将轴压降至 0，并清除轴向引伸计产 生的位移量和应变量。该操作过程中使用位移控 制，位移控制速率为 0.1 mm/min。
2
试验概述
(2) 设置加载水平(见表 2)，采用力控制方式(力
控制速率为 30 kN/min) 将力升至指定值并保持恒 定。
会建议试验规范要求，加工成型后保持自然干燥状 态。 试验在美国 MTS815 岩石力学试验系统上进 行。该试验系统主要用于高强度固体材料的单轴、 3.1 破裂砂岩长期强度 概括起来，估算岩石长期强度的方法有 2 种：
3
破裂砂岩的长期强度及蠕变规律
• 992 •
岩石力学与工程学报
2010 年
一是根据岩石长期强度定义，把作用时间趋向于无 方法确定长期强度需要进行大量的试验，如根据剪 应力与剪应变等时线簇或根据流变曲线确定长期强 度的方法，工作量非常大；另一种方法根据岩石加 载过程中的应力–应变关系通过理论分析的方法得 出长期强度值[10]，该方法工作量小、计算简单。本 文利用第二种方法估算等围压状态下破裂岩石的长 期强度， 其计算原理见图 1(图中 evs 为体应变；1 为
水—热环境对泥岩的力学特性影响试验研究
第35卷第4期2021年8月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.35No.4Aug.2021收稿日期:2021-01-11基金项目:水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室开放基金项目(YK319008);湖南省教育厅一般项目(20C1608)作者简介:彭㊀成(1983 )男,瑶族,讲师,博士,主要从事特殊岩土的工程性状与处治技术方面的研究㊂E-mail:us-cEmonk@ DOI :10.19431/ki.1673-0062.2021.04.008水—热环境对泥岩的力学特性影响试验研究彭㊀成,李㊀鑫,涂福豪,郭庆梅,樊军伟(南华大学土木工程学院,湖南衡阳421001)摘㊀要:为探究低温与含水条件对泥岩力学性质的影响,研究了泥岩在不同含水条件与不同低温环境下单轴抗压强度的变化规律,对饱和㊁天然㊁干燥三种含水状态下的泥岩在-50ħ~10ħ环境中养护的样本进行单轴压缩试验,测定其单轴抗压强度并探究了其弹性模量的变化趋势㊂结果表明:泥岩的单轴抗压强度与含水率ω呈指数函数递减关系,随含水率上升泥岩弹性模量减小,弹性模量的变化速率随含水率的上升而增大;温度降低时泥岩的单轴抗压强度呈指数增长,弹性模量随温度降低而增加,干燥时呈线性关系,天然与饱和状态时变化速率随温度的降低而增大㊂孔隙水会使泥岩矿物间水胶连接减弱,而负温会使其增强,含水岩样更易发生剪性破坏,干燥岩样则多为张性破坏㊂关键词:泥岩;含水率;力学特性;低温;单轴试验中图分类号:TU45文献标志码:A文章编号:1673-0062(2021)04-0049-07开放科学(资源服务)标识码(OSID ):Experimental Study on the Influence of Hydro-thermal Environmenton the Mechanical Properties of MudstonePENG Cheng ,LI Xin ,TU Fuhao ,GUO Qingmei ,FAN Junwei(School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)Abstract :In order to research the influence of low temperature and water bearing conditions on the mechanical properties of mudstone,and the variation of uniaxial com-pressive strength of mudstone under different water bearing conditions and different low temperature environment.Uniaxial compression test was carried out on the samples of mudstone cured at -50ħ~10ħunder saturated,natural and dry water bearing condi-tions,to determine the uniaxial compressive strength and change trend of elastic modulus.Based on these test results,the uniaxial compressive strength of mudstone decreases expo-㊀㊀㊀南华大学学报(自然科学版)2021年8月nentially with water content in.The elastic modulus of mudstone decreases with the in-crease of water content,and the change rate of elastic modulus increases with the increaseof water content.The uniaxial compressive strength of mudstone increased exponentially at lower temperature.The elastic modulus increases with the decrease of temperature,linear change rate in dry state,and the change rate increases with the decrease of temperature in natural and saturated state.Pore water can weaken the water-cement connection between mudstone minerals,and negative temperature can strengthen it,water sample are more likely to occur shear destruction,dry sample for more tensile damage.Water-bearing rock samples are more prone to shear damage,while dry rock are more prone to tensile damage.key words:mudstone;moisture content;mechanics characteristic;low temperature;uniaxial compression experiment0㊀引㊀言在我国基建发展的历程中,岩石作为天然建筑材料一直被大量用于各种工程㊂自然环境中的岩石受制于其自身环境的影响,承受各种物理㊁化学及生物风化作用㊂泥岩具遇水软化的特点,工程中如巷道支护㊁隧道开挖以及边坡等如遇泥岩环境,临空面往往容易受环境湿度影响而造成泥岩强度衰减,引起岩体变形甚至失稳破坏,因此研究含水状态对于泥岩的劣化效果㊁机制具有重要的指导意义㊂郭瑞等[1]通过单轴抗压强度试验,分析了含水量和干密度对砂质泥岩单轴抗压强度的影响;姚强岭等[2]通过岩石直剪试验,探讨了含水率对砂质泥岩直剪变形破坏规律㊁强度损伤及声发射特征的影响;魏晓刚[3]认为含水量与浸泡时间会增大泥岩的蠕变应变与蠕变挤压力;柳万里等[4]通过对泥岩进行天然与饱和状态下的单轴压缩试验,认为泥岩饱水后其力学特性会出现特征强度降低㊁脆性变形减弱㊁塑性变形增强的变化,并且饱水后岩石吸能与释能性质减弱㊁耗能性质增强;冯西洲[5]通过对泥岩进行饱水试验,提出浸水会促使泥岩内部微裂隙产生扩张,随浸水时间的增加甚至会使其部分微裂隙贯通,泥岩单轴抗压强度与弹性模量也随浸水时间增加呈指数形式降低;杨秀荣等[6]通过试验与数值模拟结合的方式,揭示了软岩含水率增大时其初始蠕变值与稳态蠕变值均有所增大㊂近年来,大型低温液化天然气(liquefied natural gas,LNG)地下储存已成为未来发展方向, LNG是通过将天然气降温至约-163ħ来实现天然气液化以大幅降低其体积以便于储存,因此储存地区部分围岩将长期处于低温环境中,受影响的岩石必然产生力学性质上的变化㊂迄今为止,国内外已有诸多学者对岩石在低温下的力学性质变化问题进行了深入研究,Y.J.Song等[7]对红砂岩样品进行了多级装卸单轴蠕变试验,获得了不同温度下的蠕变曲线(20ħ~-20ħ),结果表明温度降低会降低所有应力水平下岩石的瞬时变形和蠕变变形,同时还会成指数地减弱了岩石的总蠕变和粘塑性应变;L.Jiang等[8]通过单轴试验,提出低温能使砂岩的纵波波速㊁弹性模量㊁抗压强度与致密性显著增加,并且结合细观损伤本构模型模拟了岩体的损伤演化;杨阳等[9]用SHPB (split Hopkinson pressure bar)试验和分形方法研究饱水冻结红砂岩的动态力学性能,结果表明负温会显著影响红砂岩的动态力学性能和分形特性;种玉配等[10]对不同温度(20ħ~-20ħ)的饱水粗粒砂岩进行了单轴压缩试验,结果表明饱水粗粒砂岩的弹性模量和单轴抗压强度随温度降低而增大,泊松比则随之减小;杨更社等[11]通过对白垩系饱和砂岩在不同温度(20ħ~-20ħ)与不同围压(0㊁2㊁4和6MPa)条件下进行三轴压缩试验,认为负温冻结与围压能显著增强饱和砂岩的强度与内摩擦角;魏尧等[12]对饱水砂岩在-10ħ条件不同围压下进行了蠕变实验,结果表明低温会促进饱水砂岩蠕变过程的发展,围压能降低其稳态蠕变速率;宋勇军[13]通过单轴蠕变实验,证明低温能显著降低饱水砂岩的瞬时应变与蠕变应变,增加其蠕变时间㊁强度及弹性模量㊂但是,在低温环境下,不同含水条件泥岩的单轴抗压强度还未见研究成果㊂基于此,本文将以温度与含水率为本征变量,进行泥岩单轴压缩试验,研究低温对不同含水条件泥岩的强度与弹性模量的影响及变化规律,为地下LNG储库的工程05第35卷第4期彭㊀成等:水 热环境对泥岩的力学特性影响试验研究建设提出合理的力学参数㊂1㊀泥岩含水率与低温单轴试验设计本次实验主要目的是为研究泥岩在含水率和低温影响下力学性质的变化规律,试验设计流程如图1所示㊂图1㊀试验设计流程图Fig.1㊀Flowchart of experimental design1.1㊀试样制备试验样本取自四川省宜宾市某处,为土黄色粉砂质泥岩,现场取得无明显裂纹大岩块后制成直径50mm 高100mm 圆柱体㊂对加工后的试样进行筛选,首先剔除表面可见明显裂纹的个别岩样;再用游标卡尺测其高径,直径测量方法为分三次测岩样上部㊁中部㊁底部直径后取平均值,岩样高度同样取其三处不同纵向切面高度平均值,剔除其中差异较大岩样;最后用精度为0.1g 的电子天平测定岩样质量,剔除质量差异较大者㊂最后选取岩样直径为48.5~49.1mm,高度为99.8~100.6mm,质量为366.2~384.8g,孔隙度为26.3%~28.8%㊂1.2㊀试验方法取3个岩样为一组,因考虑泥岩受不同含水条件的影响,对4组岩样进行烘干制造干燥泥岩试样,另取4组采用自由浸水法制作饱和样本,具体操作为:称得天然状态试件质量后,将岩样置于水槽中,每隔2h 依次注水使水面高度达到岩样高度的1/4㊁1/2㊁3/4,后注水完全浸没使岩样自由吸水48h,取出试件并沾去表面水分并称得其质量㊂烘干试验即将试件置于烘箱中在105~110ħ温度下24h,取出待其冷却后称取其质量㊂后计算得到其饱和状态含水率为16.477%,天然状态下含水率为14.266%㊂将4组岩样分别记为T1㊁T2㊁T3㊁T4,如表1所示依次对应养护温度为10ħ㊁-20ħ㊁-35ħ㊁-50ħ四种养护环境㊂将T1组密封后置于10ħ环境养护72h,T2组置于FDS-500型微机全自动砼慢速冻融试验设备中以-20ħ冷冻72h,T3㊁T4组置于FORMA 超低温冰箱以-35ħ与-50ħ的环境冷冻72h㊂表1㊀岩样分组Table 1㊀Sample group编号T1T2T3T4状态10ħ-20ħ-35ħ-50ħ单轴压缩试验用微机控制电液伺服万能试验机WAW-EY600C 进行,加载方式为位移控制,加载速率为0.5mm /min㊂测得其单轴抗压强度与弹性模量,因岩样的个体差异会导致单轴压缩试验结果出现一定离散性㊂去掉每组岩样中试验所得数据差异较大者后取其平均值为其单轴抗压强度与弹性模量,再通过统计和拟合,分析泥岩在含水率及低温影响下力学性质的变化规律㊂2㊀试验现象及结果分析2.1㊀泥岩的单轴压缩破坏模式由于岩样的含水率与温度控制不同,低温下孔隙水冻结成冰,T2饱和与天然状态的岩样侧面出现少量白霜,T3与T4组岩样侧面被白霜完全覆盖㊂干燥岩样在不同温度下的单轴压缩破坏模式主要为劈裂破坏,少量出现剪切破坏,如图2(a)㊁2(b)所示,其断面触摸时颗粒感明显且较粗糙,可见其破坏时摩擦力较大㊂T1组天然与饱水状态岩样破坏形式以顶锥破坏㊁剪切破坏为主,破坏断面触感较细腻,有滑动痕迹,可见其摩擦力较小㊂T2组含水岩样破坏形式与T1组基本一致,由于机械能向应变能转化时产生热损耗,致其表面白霜融化,如图2(c)㊁2(d)所示㊂T3㊁T4组含水岩样在单轴压缩时端部效应明显,可见两端表面冰霜融化,中部及中部靠近两端15㊀㊀㊀南华大学学报(自然科学版)2021年8月处白霜无变化,如图2(e)所示㊂其中部仅有微小变形发生,应变集中在两端,此时单轴压缩破坏模式多为端部剪切破坏,如图2(f)所示㊂经低温冻结后的含水泥岩破坏断面较粗糙,触摸时有一定颗粒感,可见其摩擦力应介于常温时干燥泥岩与含水泥岩之间㊂图2㊀泥岩破坏模式Fig.2㊀Failure mode of mudstone2.2㊀温度与含水率影响下泥岩强度变化粉砂质泥岩在四种不同温度下,饱和时单轴抗压强度最低,天然状态次之,干燥时最高,遇水软化效应明显㊂软化程度用软化系数K R 来表示,为含水状态下泥岩抗压强度σω与干燥状态下泥岩单轴抗压σs 强度之比,即K R =σω/σS ㊂取不同温度下的泥岩单轴抗压强度平均值对其软化系数进行计算,结果列于表1,可见低温对泥岩的遇水软化效应有明显的抑制作用㊂表2㊀泥岩不同温度下的软化系数Table 2㊀Softening coefficient of mudstone atdifferent temperature 岩样T1T2T3T4天然0.5520.5730.6290.671饱和0.3830.4180.4550.530单轴抗压强度的试验曲线如图3所示,可以发现含水率对泥岩的软化效果随含水率的增加而变强㊂通过对不同含水条件下的泥岩单轴抗压强度进行拟合,可以发现该试验曲线的变化近似于指数变化㊂图3㊀含水率与抗压强度变化曲线Fig.3㊀Curve of water content andcompressive strength通过试验现象对比可发现,T1与T2组泥岩破坏形式接近,T3与T4组破坏形式接近,故采用关系式Y =Y 0+A exp(x /t )将四种温度下的泥岩分两组在不同含水率下的抗压强度进行拟合,建立粉砂质泥岩的抗压强度与含水率的关系式,即式(1)和式(2)㊂10ħ与-20ħ时:Y =Y 0-2.017exp(ω/0.095)-2.017(1)㊀㊀-35ħ与-50ħ时:Y =Y 0-1.308exp(ω/0.078)-1.308(2)式中Y 0为当前温度干燥状态下泥岩的单轴抗压强度,ω为其含水率㊂由图3可以看出,拟合曲线与试验曲线较吻合,即粉砂质泥岩的抗压强度与含水率的变化基本符合指数变化规律:随着含水率的增加,粉砂质泥岩的抗压强度逐渐降低㊂式中Y 0值为干燥时试样的抗压强度,故而可将后面项视为孔隙水引起的附加强度,拟合关系式为泥岩抗压强度的含水率修正式㊂图4为不同含水率下温度对粉砂质泥岩单轴抗压强度的影响试验曲线,该试验曲线变化规律同样近似于指数变化,采用关系式Y =Y 0+A exp((x -x 0)/t )对三种不同含水率的泥岩在不同温度下的25第35卷第4期彭㊀成等:水 热环境对泥岩的力学特性影响试验研究抗压强度曲线进行拟合,建立粉砂质泥岩的抗压强度与温度的关系式,即式(3)~式(6)㊂饱和状态(含水率为16.477%)时:Y =5.484+5.931exp(-(T +50)/19.723)(3)㊀㊀天然状态(含水率为14.266%)时:Y =8.026+6.084exp(-(T +50)/19.499)(4)㊀㊀干燥状态时:Y =14.793+6.243exp(-(T +50)/19.567)(5)式中Y 0接近10ħ时试样的抗压强度,三种状态下A 与t 值接近,整合后重新拟合为:Y =Y 0+5.984exp(-(T +50)/19.513)-0.303(6)式中Y 0为10ħ时试样的抗压强度㊂图4㊀温度与抗压强度变化曲线Fig.4㊀Curve of temperature andcompressive strength由图4可以看出,拟合曲线与试验曲线基本吻合,即粉砂质泥岩的抗压强度与温度的变化规律基本符合指数变化规律:抗压强度随着温度的降低而增加㊂式中Y 0为10ħ时试样的抗压强度,故而可将后面项视为低温引起的附加强度,拟合关系式为泥岩抗压强度的温度修正式㊂2.3㊀温度与含水率影响下泥岩弹性模量变化泥岩弹性模量的试验曲线如图5㊁图6所示,泥岩弹性模量随着含水率的升高而降低,其变化速率亦随含水率升高而增加㊂同时弹性模量随温度降低而增加,在干燥时其变化规律基本为线性,在天然与饱和状态时,弹性模量在10ħ~-20ħ范围内变化速率较小,-20ħ~-50ħ范围内变化速率显著增大㊂图5㊀含水率与弹性模量变化曲线Fig.5㊀Curve of water content and modulusofelasticity图6㊀温度与弹性模量变化曲线Fig.6㊀Curve of temperature andmodulus of elasticity3㊀含水率与温度对泥岩力学性质影响的机理3.1㊀泥岩力学性质变化的矿物成分机理泥岩的泥级质点含量往往超过50%,普遍具有泥状结构㊂高岭石㊁蒙脱石等粒径小于0.002mm 的粘粒表面具有游离价原子和离子,其静电引力可在粘粒表面形成静电引力场[14]㊂属于偶极体的水分子会被粘粒表面的静电引力所吸引从而附着在粘粒表面,且排列整齐而紧密,静电引力场的吸附力随着水分子与粘粒间的距离缩短而增强,水35㊀㊀㊀南华大学学报(自然科学版)2021年8月分子的自由活动能力逐渐减弱,根据其自由活动能力的强弱将其划分为强结合水(无法自由活动)㊁弱结合水与自由液态水㊂强结合水与弱结合水共同组成水化膜(图7),其力学性质介于液体与固体之间㊂粘粒表面积较大,因此静电引力场对结合水的吸附作用极为明显,使得粘粒表面形成较厚的水化膜吸附层㊂当相邻粘粒间距较小时,各自形成的静电引力场出现交集,重叠形成公共水化膜㊂当各自水化膜加厚时,公共水化膜变小,水胶连接力亦随之变小,泥岩膨胀产生塑性变形,强度降低;各自水化膜变薄时,公共水化膜变厚,水胶连接得到增强,泥岩变得更加坚硬㊂图7㊀水化膜示意图Fig.7㊀Schematic diagram of hydration film试验表明,温度与含水率对泥岩的单轴抗压强度与弹性模量均有较大影响㊂泥岩吸水后体积发生膨胀,其间粘粒各自形成的水化膜加厚,公共强结合水化膜消失,同时水压力会在其内部孔隙及微裂端部产生应力集中效应,增大孔隙及裂纹的体积,降低岩体的粘聚力与内摩擦系数,故而强度降低㊂当泥岩处于低温环境下时,产生温度应变致使体积变小,粘粒间距变小,且因为负温的影响,水中能量大量散失,水分子的自由活动能力减弱㊂此时粘粒间强结合水增多,自由液态水减少,各自水化膜变薄,公共水化膜加厚,水胶连接能力变强㊂同时孔隙水由液态转变为固态冰,产生冻粘现象,进一步增强粘粒之间的连接能力,岩体粘聚力与内摩擦系数增加,泥岩整体强度提高㊂3.2㊀破坏模式产生机理泥岩的变形与破坏模式通常与其自身的微裂隙㊁粘粒间的空穴有密切联系[15],在应力不断增加时,空穴连通㊁裂纹扩张合并直至形成宏观裂纹,最后完全贯通形成破坏面㊂干燥时泥岩剪切向裂纹的发展受到较大摩擦力的限制而不易扩张,张性裂纹更容易扩张贯通,此时破坏面基本平行于σ1压应力方向,破坏形式即为劈裂破坏,属于张性破坏;随着含水率增大时,泥岩的内摩擦系数减小,剪性裂纹受到摩擦力减小,更容易发展形成宏观裂纹直至贯通为破坏面,因此破坏模式主要为剪切破坏与顶锥破坏;在负温的影响下泥岩粘聚力与内摩擦系数均呈增大趋势,整体强度提高,但由于端部效应,岩样端部受力变形后释放应变能,端部产生一定的热损耗,使得该部位冰霜融化,温度上升,负温状态受到抑制,受负温影响而增大的内摩擦系数随温度升高而发生回弹,造成整体岩性不均匀,端部较中部软弱的现象,进而在端部产生剪性破坏面㊂4㊀结㊀论通过对不同含水条件下的泥岩在-50ħ~10ħ进行单轴压缩试验,用ORIGIN 对实验数据进行拟合,并结合矿物成分与试验现象对其力学性质变化机理进行分析后,可得出如下结论:1)孔隙水会使泥岩矿物之间的公共水化膜变薄,减弱泥岩矿物成分间的水胶连接,降低其粘聚力与内摩擦系数,泥岩的单轴抗压强度随含水率ω增加呈指数降低,弹性模量随含水率增加而降低,变化速率随含水率的增加逐渐变大㊂2)负温能使泥岩矿物间的公共水化膜增厚,增强泥岩的水胶连接能力,增加其粘聚力与内摩擦系数,单轴抗压强度随温度降低而增加,变化规律符合指数递增;弹性模量亦随温度降低逐渐增加,干燥泥岩的弹性模量变化规律基本呈线性,在天然与饱和状态时增长速率先缓后急,变化拐点约为-20ħ㊂3)干燥岩样的单轴压缩试验易发生张性破坏;天然状态与饱水状态的泥岩内部微裂纹更易发生剪性扩张,其单轴压缩破坏模式多为剪性破坏,但在-35ħ与-50ħ时,端部效应明显,此时单轴压缩破坏模式多为端部剪切破坏㊂参考文献:[1]郭瑞,洪刚,张建华,等.砂质泥岩单轴抗压强度试验研究[J].地下空间与工程学报,2018,14(3):607-612.[2]姚强岭,王伟男,杨书懿,等.含水率影响下砂质泥岩直剪特性及声发射特征[J /OL].煤炭学报,2020,9:1-13(2020-09-21)[2020-12-09].https:// /10.45第35卷第4期彭㊀成等:水 热环境对泥岩的力学特性影响试验研究13225/ki.jccs.2020.0903.[3]魏晓刚,麻凤海,刘书贤,等.含水泥岩蠕变损伤特性试验研究[J].河南理工大学学报(自然科学版), 2016,35(5):725-731.[4]柳万里,晏鄂川,戴航,等.巴东组泥岩水作用的特征强度及其能量演化规律研究[J].岩石力学与工程学报,2020,39(2):311-326.[5]冯西洲.水对泥岩损伤作用机理的核磁共振试验研究[J].科学技术与工程,2018,18(32):226-231. 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真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究
真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究一、本文概述本文旨在深入研究真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性及其诱发的岩爆机理。
随着地下工程向深部发展，深部岩体的力学行为及其稳定性问题日益突出。
岩爆作为一种常见的深部岩体动力灾害，对地下工程的安全性和稳定性构成了严重威胁。
因此，揭示真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性和岩爆机理，对于预防和控制岩爆灾害具有重要的理论意义和实践价值。
本文首先回顾了国内外关于深部岩体破裂特性和岩爆机理的研究现状，指出了现有研究的不足和需要进一步深入探索的问题。
在此基础上，通过理论分析、实验室试验和数值模拟等多种方法，系统地研究了真三轴卸载条件下深部岩体的应力-应变关系、破裂模式、能量演化规律等关键科学问题。
本文的主要研究内容包括：1）建立真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性的理论分析框架；2）开展真三轴卸载试验，揭示深部岩体在不同卸载路径下的破裂模式和能量演化规律；3）利用数值模拟方法，分析深部岩体在真三轴卸载过程中的应力分布、位移场和能量场的变化特征；4）结合理论分析和数值模拟结果，探讨真三轴卸载条件下诱发岩爆的机理和影响因素。
本文的研究成果不仅有助于深化对深部岩体破裂特性和岩爆机理的认识，也为地下工程的安全设计和灾害防控提供了重要的理论依据和技术支持。
二、真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性研究在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性是一个复杂且关键的问题。
为了深入了解这一过程，本研究采用了一系列先进的实验方法和数值模拟技术，对岩体的应力-应变行为、破裂模式以及能量演化等方面进行了详细的分析。
通过真三轴实验设备对深部岩体进行卸载模拟。
实验过程中，我们精确控制了卸载速率和卸载路径，以模拟实际工程中的卸载过程。
同时，利用高分辨率的摄像头和位移传感器，实时记录了岩体表面的裂缝扩展和变形情况。
实验结果表明，在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性呈现出明显的非线性特征。
随着卸载的进行，岩体内的应力场和应变场发生重分布，导致岩体逐渐产生裂缝。
岩石的蠕变
EFG下降，最后e 应变为零。其中EF曲线为瞬时弹性应变 之恢复曲线，
而FG曲线表示应变随时间逐渐恢复为零。 由于卸载后应力立刻消失，而应变却随时间逐渐恢复，所以应力
与应变的恢复不是同步的，即应变总是落后于应力。具有这种特性的 弹性变形称为滞弹性或弹性后效。
5.3 蠕变模型
γ
τ
γ
τ
η η
ηη 1 1
τ τ
b
b
γ
γ
η2η2
cc
γ
ττ
γ
ηη 1 1 η1
η1
γ
ττγΒιβλιοθήκη dde) e)ττ
η2 η2
γ
γ
图5-5 线性粘弹性模型及其蠕变曲线 (a)马科斯威尔模型；(b)伏埃特模型；(c)广义的马科斯威尔模型；
(d)广义的伏埃特模型；(e)鲍格斯模型
5.3 蠕变模型
1(t) A1 exp(ct)
式中，A、C均为实验常数。 第一阶段蠕变应变公式更复杂些也可采用：
1(t) A1 exp(c1t) B1 exp(c2t)
式中，A、B、C1、C2 均为实验常数。
5.2 岩石蠕变经验公式
第二阶段蠕 变经验公式有：
1 ） Nadai (1963) 提出的：
.0 exp( / 0 )
石油工程中的流变现象： 在石油钻井过程中，当钻遇盐膏层时，会发生缩径现象；油田开发过程 中，由于注水，泥页岩部位的套管会受到非均匀外载的作用等都与岩层蠕变 有关。
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
蠕变的定义： 岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢 地增长现象称为蠕变(Creep）。 应力松弛的定义： 若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少 的现象称松驰(Relaxation)或称应力松驰。
2.4岩石的变形特性
（2）应力—应变全过程曲线形态
在刚性机下，峰值前后的全部应力—应变曲线分5个阶段：1-3阶段
同普通试验机。
CD阶段（应变软化阶段）：
①该阶段试件变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移；
②试件仍具有一定的承载力，承载力随应变的增大而减小，但
并不降到零，具有明显的软化现象。
D点以后（摩擦阶段）：反映断裂面的摩擦所具有的抵抗外力的能力。
P
C
B
A O
D
峰后曲线特点： ① 第5阶段岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点后，靠碎
块间的摩擦力承载，故 D —称为残余应力。 ② 承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。
（3）全应力—应变曲线的补充性质
① 曲线呈近似对称性； ② C点后卸载有残余应变， ③ 每次加载与卸载曲线都不重合，且围成一环形面积，称 为塑性滞环， ④ 加载曲线不过原卸载点，但在邻近处和原曲线光滑衔接。
⑤弹性后效特性：
由蠕变方程看出，应力保持一定时，模型应变由弹簧的瞬时应变和粘 壶的蠕变应变组成。如果在某一时刻卸除载荷，弹簧应变将立即恢复，而 粘壶的蠕变应变将残留保持不变，即该模型无弹性后效，存在永久应变。
分3个阶段： （1）原生微裂隙压密阶段（OA级）
特点：① 1 1 曲线 ，曲线斜率↑，应变率随应力增 加而减小；
②变形：塑性，非线性（变形不可恢复） 原因：微裂隙闭合（压密）。裂隙岩石明显，坚 硬少裂隙岩石不明显，甚至不出现本段。
（2）弹性变形阶段（AB段） 特点：① 1 1 曲线是直线； ② 弹性模量E为常数（卸载，变形可恢复） 原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应 力为屈服极限 B 。
岩石刚度：k s
与
k
s
【国家自然科学基金】_岩石蠕变_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106
107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123
卸荷路径 卸荷应力路径 危岩 加速蠕变损伤 加速蠕变 加载速率效应 加筋路堤 力学行为 力学特性 剪切流变 分级加载 分级加、卸载 伯格斯体 优化算法 中下地壳 三轴流变试验 三维蠕变模型
推荐指数 18 9 4 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137
岩石的变形性质及室内测定的试验方法
ε
ε
图7-36 几种典型的岩石的应力-应变曲线
7.5.1
岩石的变形特征
σ
Rc
1）岩石应力-应变的一般关系
实际典型的岩石应力-应 变曲线如图7-37所示的形 式。这种曲线可分为四个 区段：①在OA区段内， 该曲线稍微向上弯曲；② 在AB区段内，很接近于 直线；③BC区段内，曲 线向下弯曲，直至C点的 最大值；④下降段CD。
7.5.1
岩石的变形特征
2）应力-应变曲线类型
类型Ⅲ：塑-弹性 在应力较低时，应力-应变曲线略向上弯曲。当应力增加 到一定数值后，应力-应变曲线就逐渐变为直线，直至试样 发生破坏。具有这种变形性质的代表性岩石、花岗岩、片理 平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等； 类型Ⅳ：塑-弹-塑性 压力较低时，曲线向上弯曲。当压力增加到一定值后，变 形曲线就成为直线。最后，曲线向下弯曲。曲线似S形；
C 3P R B
2
4
σo
S
U D
A
1
Q o ε p
T ε
图7-37完全的应力-应变曲线
7.5.1
岩石的变形特征
1）岩石应力-应变的一般关系
在OA和AB这两个区段内，岩石很接近于弹性的，可能稍有 一点滞回效应，但是在这两个区内加载与卸载对于岩石不发 生不可恢复的变形。 第三区段BC的起点B往往是在C点最大应力值的2/3处，从B 点开始，应力-应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到 零。在这一范围内，岩石将发生不可恢复的变形，加载与卸 载的每次循环都是不同的曲线。 在图7-37的卸载曲线PQ在零应力时还有残余变形。如果岩 石上再加载，则再加载曲线QR总是在曲线OABC以下，但最 终与之连接起来。
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