高围压高孔隙水压作用下岩石卸荷蠕变特性研究及其工程应用

发布时间：2018-10-23 09:25

【摘要】：随着基础工程建设中深埋隧道不断涌现，如秦岭隧道、锦屏引水隧道、青藏铁路新关角隧道等，高应力高水压条件下隧道安全施工问题日益突出。在高应力高水压共同作用下，深埋隧道围岩体的力学响应有别于浅部岩体。深埋隧道围岩围岩裂缝的产生、扩展以及围岩变形破坏等现象，已经引起国内外专家的关注，但对其成因尚缺乏深入分析研究。基于此，本文在前人研究的基础上，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，系统研究了砂岩在高围压高孔隙水压作用下卸荷过程瞬时变形强度特征以及长期流变力学特性，根据试验结果建立了适用于描述高围压高孔隙水压下砂岩卸荷强度特性的Hoek-Brown强度准则参数m、 s的经验模型和可以考虑孔隙水压作用效应的非线性黏弹塑性卸荷蠕变模型。以某受岩溶水影响的深埋隧道开挖工程为背景，通过大型有限差分软件FLAC3D，应用本文的试验与理论研究成果对其进行数值计算分析。主要研究内容和成果如下： ①利用岩石材料刚性伺服试验机MTS815对某深部砂岩岩样进行了单轴加载、常规三轴加载、升轴压卸围压和不同孔隙水压作用下定轴压卸围压瞬时力学特性进行了研究，分析了不同加载条件下岩样变形强度特征，重点研究了高围压高孔隙水压下砂岩卸荷破坏围压与偏应力强度之间关系，得到了Hoek-Brown准则参数m、 s随破坏围压变化的经验模型，使得含有经验参数模型的Hoek-Brown准则，能更好地描述高围压高孔隙水压下砂岩卸荷强度特性。 ②采用RLW-2000岩石流变试验机，对砂岩进行了不同孔隙水压下定轴压卸围压蠕变试验，基于试验结果，研究了应力水平和孔隙水压对砂岩蠕变变形特性的影响。重点研究了定轴压卸围压过程，不同孔隙水压作用下砂岩卸荷蠕变过程瞬时变形、蠕变变形、瞬时变形模量、体积蠕变变形和蠕变速率的变化规律。 ③通过研究高围压下不同孔隙水压作用时，砂岩定轴压卸围压蠕变过程黏弹性阶段变形模量的变化规律，得到了变形模量随时间和水压变化的非线性表达式，令Kelvin模型中弹性元件的弹性系数满足此表达式，再将其与虎克体串联，，得到一个改进的非线性广义Kelvin模型，分析了该模型的基本力学特性，推导了模型的本构方程和蠕变方程。该模型能较好的描述高围压高孔隙水压下砂岩黏弹性蠕变特性。 ④用指数函数对不同孔隙水压作用下定轴压卸围压加速蠕变曲线进行拟合，得到加速蠕变段非线性经验蠕变方程，在将该方程与线性黏性元件蠕变方程进行对比分析，得到一个非线性黏性元件，其黏滞系数是关于时间和孔隙水压的表达式。将该非线性黏性元件通过应力触发方式和塑性元件并联构成一个非线性黏塑性模型，即改进的非线性Bingham模型，分析了模型的力学特性。该模型可以描述不同孔隙水压下砂岩卸荷加速蠕变特性。 ⑤将改进的非线性广义Kelvin模型和非线性Bingham模型进行串联，建立一个适用于描述高围压不同孔隙水压作用下砂岩卸荷蠕变特性的非线性黏弹塑性蠕变模型，该模型能较好地反映加速蠕变特征，推导了模型的本构方程和蠕变方程。利用高围压不同孔隙水压作用下砂岩卸荷蠕变试验结果，采用基于Quasi-Newton算法（BFGS）的MATLAB编程实现对非线性黏弹塑性蠕变模型参数的辨识，辨识效果比较理想。 ⑥基于拉格朗日有限差分理论，推导了高围压高孔隙水压下非线蠕变模型的有限差分形式，采用基于Hoek-Brown准则参数m、s经验模型的Mohr-Coulomb为屈服准则，结合FLAC3D良好的二次开发环境对非线性粘弹塑性蠕变模型进行了二次开发。对比蠕变试验曲线与由该模型得到的数值试验曲线，二者较为吻合，验证了二次开发程序的正确性。 ⑦利用非线性粘弹塑性蠕变模型二次开发计算程序，对某受岩溶水影响的深埋隧道开挖施工过程围岩变形进行了数值分析。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU45

【参考文献】