南宁风化泥岩蠕变特性及模型研究

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泥岩具有强度低、变形量大、易于膨胀等性质,影响工程建设稳定性,关于泥岩的物理力学试验以及蠕变试验已有了较深入的研究,但有关不同风化程度泥岩的蠕变特性研究却较少,相对于一种来说,综合不同风化程度泥岩的对比研究能更加全面地洞悉泥岩蠕变特性,加之很多地区都存在风化泥岩,因此展开对不同风化程度泥岩蠕变特性的研究具有重要意义。本文对广西南宁不同风化程度泥岩进行基本物理力学试验、灰色关联度分析、剪切蠕变试验和单轴压缩蠕变试验,研究简化后的Weibull生长曲线模型及Burgers模型对蠕变曲线描述效果。主要取得的结论有:(1)不同原状风化泥岩含水率的顺序由大到小为全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩,其密度和抗剪强度的顺序大小与其含水率顺序大小相反,结合体积膨胀量试验、自由膨胀率试验、膨胀力试验、干燥饱和吸水率试验综合判断全风化泥岩、强风化泥岩属于弱膨胀岩,中风化泥岩基本无膨胀性,将浸水软化崩解和未浸水的原状泥岩样在不同形态下进行膨胀性对比试验,可知粉末状泥岩膨胀变形量整体上远远大于块状泥岩,未浸水泥岩变形量大于浸水泥岩。(2)采用4种无量纲化方法对泥岩6项物理性质指标与压缩变形参数、抗剪强度参数进行灰色关联度分析,分别择优选出极差化和一致极差化,再利用改进的指标权重归一化算法找出影响压缩模量、粘聚力以及内摩擦角的物理性质指标主次顺序,由计算结果得出影响压缩模量指标权重顺序由大到小依次为天然重度、饱和度、液限、塑限,其余2项物理性质指标对压缩模量影响较小;而影响粘聚力和内摩擦角的权重排序由大到小分别为含水率、塑限、孔隙比和含水率、孔隙比、塑限,其余3项物性指标对抗剪强度参数影响很小。(3)对等应变直剪仪改造进行饱和强风化泥岩直剪蠕变试验,分析剪切蠕变曲线,得出:饱和强风化泥岩蠕变变形量较大且破坏剪应力都比瞬时抗剪强度大;在破坏剪应力的前一级应力作用下蠕变变形量与破坏剪应力时蠕变变形量相差较大。由剪应力-剪应变(变形)等时曲线得出:该曲线呈非线性变化,曲线斜率受剪应力水平影响较大,随剪应力增大而减小;当剪切应力小于屈服应力值时,岩样表现硬化特征,反之则表现为软化特征。对Weibull生长曲线模型进行简化,使其通过坐标原点,并且可以描述等速蠕变,由简化后的Weibull生长曲线模型函数计算得出的数据点与试验数据点相关系数得出简化后的Weibull生长曲线模型能较好描述蠕变特性。(4)通过分析无侧限单轴抗压强度试验的应力-应变曲线,可知不同风化程度和含水率对泥岩抗压强度及弹性模量的影响规律一致,即含水率相同时风化程度越高泥岩抗压强度和弹性模量越小。采用等应变直剪仪改造后的单轴压缩蠕变仪对3种不同风化泥岩开展单轴压缩蠕变试验,由压缩蠕变曲线得出:全风化泥岩的蠕变变形量(6.42%)相比于强风化泥岩(5.09%)和中风化泥岩(4.82%)而言较大;全风化泥岩瞬时蠕变量最小,但在试样破坏前的整个蠕变量最大;由于分级加载方法中上一级加载会对试样产生硬化叠加效果导致下一级加载时蠕变变形量减小。分析压缩蠕变曲线各阶段特征选取Burgers蠕变模型,采用Burgers模型函数对全风化泥岩蠕变曲线进行拟合,相关系数在0.98以上,验证了模型选择的合理性。
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