红砂岩单轴加卸载蠕变特性试验研究

发布时间：2017-03-29 12:20

  本文关键词：红砂岩单轴加卸载蠕变特性试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：岩石的流变特性与岩体的长期稳定性有着密切的联系,室内试验和数值模拟手段是开展岩石流变特性研究的主要方法。随着我国一些特长深埋隧道、高陡岩质边坡、核废料处置库以及地下厂房等大型基础设施的建设,地下建筑围岩应力在项目生命周期中具有复杂多变性。地下建筑建造时的安全性与项目运营期间的长期稳定性关乎项目建设的成败和国计民生。因此,开展复杂应力状态下岩石的流变特性研究具有重要的意义。本文以江西省科技计划项目(20123BBG70214)“复杂应力状态下岩石流变特性试验研究”为依托,以江西省鄱阳湖生态经济区内某高速公路隧道为工程背景。采用室内试验和数值模拟2种试验方法,对江西省鄱阳湖生态经济区内典型的红砂岩进行单轴加卸载条件下的蠕变试验,探究红砂岩在单轴加卸载应力状态下的流变力学特性,建立红砂岩单轴加卸载条件下的蠕变本构模型,在有限差分软件FLAC3D中,调用室内试验建立的蠕变本构模型,实现与室内蠕变试验同等条件下的蠕变试验数值模拟研究。本文的主要工作与研究成果如下:(1)从江西省鄱阳湖生态经济区某高速公路隧道掌子面采集到了典型的红砂岩岩样,在岩石切片试验室内将岩样加工成标准试件,通过对红砂岩试件进行单轴压缩试验、单轴直接拉伸试验以及直接剪切试验,获得了红砂岩的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角以及内聚力等相应的基本力学参数。(2)采用分级增量循环加荷-卸荷的加载方式对红砂岩进行室内单轴蠕变试验。研究表明,红砂岩的长期抗压强度为其瞬时单轴抗压强度的80%~90%;通过对单轴蠕变试验曲线进行分析,发现红砂岩的蠕变曲线出现了衰减蠕变、稳定蠕变以及加速蠕变3个典型阶段;对红砂岩轴向蠕变应变的粘弹塑性特征进行分析,表明红砂岩的蠕变变形具有复杂的粘、弹、塑性共存特性。(3)通过对红砂岩单轴蠕变试验曲线特征进行分析,得到了红砂岩蠕变本构模型中的基本元件及其组合方式,引入了能反映三阶段蠕变的基于Mohr-Coulomb屈服准则的Burgers模型,也称之为Cvisc模型;通过运用非线性最小二乘算法——Levenberg-Marquardt法,根据蠕变方程对单轴蠕变试验曲线进行非线性拟合,获得了各级应力条件下的蠕变参数。研究表明,拟合的理论曲线与试验曲线十分吻合,充分说明了Cvisc模型能较好的反映红砂岩单轴加卸载应力状态下的蠕变特性。(4)对FLAC3D软件的基本原理、优缺点以及蠕变计算模式进行了简要介绍,选取软件内置的Cvisc模型,采用与室内单轴蠕变试验相同的物理力学参数,对红砂岩进行单轴加卸载蠕变试验数值分析,通过对比分析,验证了所选蠕变本构模型的正确性。
【关键词】：红砂岩 循环加卸载 蠕变试验 本构模型 数值模拟
【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 1 绪论13-23
• 1.1 选题的目的与意义13-14
• 1.1.1 选题的目的13-14
• 1.1.2 选题的意义14
• 1.2 岩石流变国内外研究现状14-20
• 1.2.1 岩石流变特性试验研究14-16
• 1.2.2 岩石流变本构模型研究16-19
• 1.2.3 数值模拟和本构模型的二次开发研究19-20
• 1.3 主要研究内容和技术路线20-23
• 1.3.1 主要研究内容20-21
• 1.3.2 创新点21
• 1.3.3 研究技术路线21-23
• 2 红砂岩基本力学特性试验23-33
• 2.1 单轴压缩试验23-27
• 2.1.1 试验仪器及设备23-24
• 2.1.2 试件的采集与制作24
• 2.1.3 试验的内容及结果24-27
• 2.2 单轴直接拉伸试验27-29
• 2.2.1 试验仪器及设备27-28
• 2.2.2 试件的采集与制作28
• 2.2.3 试验的内容及结果28-29
• 2.3 直接剪切试验29-31
• 2.3.1 试验仪器及设备29
• 2.3.2 试件的采集与制作29-30
• 2.3.3 试验的内容及结果30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 3 红砂岩室内单轴加卸载蠕变特性试验33-47
• 3.1 试验装置33-34
• 3.2 试件的采集与制作34
• 3.3 试验方法及步骤34-35
• 3.3.1 加载方式34-35
• 3.3.2 试验步骤35
• 3.4 蠕变试验结果分析35-45
• 3.4.1 轴向蠕变特征分析35-38
• 3.4.2 轴向蠕变速率特征分析38-40
• 3.4.3 红砂岩等时应变-应力曲线特征分析40-41
• 3.4.4 红砂岩粘弹塑性特征分析41-45
• 3.5 本章小结45-47
• 4 红砂岩单轴加卸载蠕变本构模型建立与参数识别47-65
• 4.1 流变方程理论简介47-58
• 4.1.1 蠕变模型基本元件简介47-50
• 4.1.2 组合模型50-58
• 4.2 蠕变模型辨识58-61
• 4.3 CVISC模型参数的确定61-64
• 4.4 本章小结64-65
• 5 红砂岩单轴加卸载蠕变试验数值模拟研究65-77
• 5.1 FLAC3D原理简介65
• 5.2 FLAC3D优缺点简介65-66
• 5.2.1 FLAC3D的优点65-66
• 5.2.2 FLAC3D的缺点66
• 5.3 FLAC3D蠕变计算模式简介66-67
• 5.4 红砂岩单轴加卸载蠕变数值模拟67-76
• 5.4.1 模型的建立67-68
• 5.4.2 参数的选取68-69
• 5.4.3 模型计算过程69-71
• 5.4.4 数值模拟结果的分析71-76
• 5.5 本章小结76-77
• 6 结论与展望77-79
• 6.1 本文研究的主要结论77-78
• 6.2 进一步研究的建议与展望78-79
• 致谢79-81
• 参考文献81-89
• 附录A 攻读硕士学位期间主要研究成果89
• 1 发表的学术论文89
• 2 申请获得的国家专利89
• 3 主持或参加的科研工作89

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