考虑水—岩作用的含水岩石本构模型研究及应用

发布时间：2018-06-20 03:18

  本文选题：水-岩作用 + 有效应力　； 参考：《山东科技大学》2017年硕士论文

【摘要】：在地下工程中,岩石内部孔隙水的存在不仅会影响岩石物理力学性质,还会进一步影响工程岩体的稳定性。因此,如何评价水-岩作用下含水岩石的稳定性已成为岩石力学与工程领域中的研究重点之一。本文通过理论分析、室内试验与数值二次开发相结合的方法,对含水岩石受载时水对岩石的劣化作用及有效应力控制岩石变形破坏机理进行了较为系统地研究,建立了含水岩石本构模型,探讨了含水岩石的失稳破坏机制,主要工作如下:首先,基于含水岩石室内三轴压缩试验,分析了不同含水率条件下岩石粘聚力、抗压强度、弹性模量等力学参数的劣化规律,探讨了水-岩作用损伤机理。同时通过数值模拟研究了含水岩石内部孔隙水压力的产生机理及其影响因素,分析了不同饱和度及孔隙结构对孔隙水压力的影响规律。依据有效应力原理,基于Gassmann方程分析了体应力和偏应力作用下含水岩石的应力状态,推导了有效应力计算公式,获得了有效应力系数与岩石孔隙结构的关系,揭示了含水岩石有效应力作用机理。其次,基于理论与试验获得的强度变形参数劣化规律及有效应力系数演化规律,以Mohr-Coulomb准则为基础,推导了水-岩作用控制方程的增量形式,对屈服函数和强度准则进行了应力修正,并借助FLAC3D数值软件中UDM接口,利用VC++计算机语言,对水-岩作用下的含水岩石本构模型进行了二次开发。开发的模型能够综合考虑孔隙水对粘聚力、弹性模量等参数的影响及应变对有效应力系数的影响作用,更真实地反映含水岩石变形破坏特征。最后,利用二次开发的含水岩石本构模型研究了不同压缩条件及不同含水条件下岩石力学特性,与室内试验数据进行了对比分析,进一步探究了有效应力作用下含水岩石的强度损伤机理。结合工程实例,模拟分析了煤矿富水巷道位移场、应力场、塑性区的演化特征,表明了本文建立的考虑水-岩作用的含水岩石本构模型能较好地反映富水岩层巷道开挖扰动的影响,更接近工程现场实际,能够为该类巷道的稳定性控制提供一定的理论依据。
[Abstract]:In underground engineering, the existence of pore water in rock will not only affect the physical and mechanical properties of rock, but also further affect the stability of engineering rock mass. Therefore, how to evaluate the stability of water-bearing rock under the action of water-rock has become one of the key points in the field of rock mechanics and engineering. Through theoretical analysis, laboratory test and numerical secondary development, the degradation of water to rocks under loading and the mechanism of rock deformation and failure controlled by effective stress are systematically studied in this paper. The constitutive model of water-bearing rock is established, and the failure mechanism of water-bearing rock is discussed. The main work is as follows: firstly, based on the laboratory triaxial compression test of water-bearing rock, the cohesion and compressive strength of rock under different moisture content are analyzed. The degradation law of mechanical parameters such as modulus of elasticity is discussed, and the mechanism of water-rock damage is discussed. At the same time, the mechanism and influencing factors of pore water pressure in water-bearing rock are studied by numerical simulation, and the influence law of different saturation and pore structure on pore water pressure is analyzed. Based on the principle of effective stress and Gassmann equation, the stress state of water-bearing rock under the action of bulk stress and deflection stress is analyzed, the formula of effective stress is derived, and the relationship between effective stress coefficient and pore structure of rock is obtained. The mechanism of effective stress in hydrated rock is revealed. Secondly, based on the deterioration law of strength deformation parameters and the evolution law of effective stress coefficient obtained by theory and experiment, the incremental form of water-rock interaction governing equation is derived based on Mohr-Coulomb criterion. The stress correction of yield function and strength criterion was carried out. With the help of UDM interface in FLAC3D numerical software and VC computer language, the constitutive model of water-bearing rock under water-rock action was redeveloped. The developed model can comprehensively consider the influence of pore water on cohesion and elastic modulus and the effect of strain on effective stress coefficient, which can reflect the deformation and failure characteristics of water-bearing rock more realistically. Finally, the mechanical properties of rocks under different compression conditions and different water-bearing conditions are studied by using the secondary developed constitutive model of water-bearing rock, and the results are compared with the experimental data. The mechanism of strength damage of hydrated rock under effective stress is further explored. Combined with engineering examples, the evolution characteristics of displacement field, stress field and plastic zone of water-rich roadway in coal mine are simulated and analyzed. The results show that the constitutive model of water-bearing rock, which considers water-rock interaction, can better reflect the influence of excavation disturbance in water-rich rock strata, be closer to the actual engineering site, and provide a certain theoretical basis for the stability control of this kind of roadway.
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU45

【参考文献】

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本文编号：2042695