多场环境作用岩石蠕变特性试验及力学模型研究

发布时间：2017-12-24 10:22

  本文关键词：多场环境作用岩石蠕变特性试验及力学模型研究　出处：《大连海事大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随着我国大型岩体工程的不断涌现,如三峡大坝、锦屏水电站、地铁隧道等,岩体工程的长期稳定性越来越受到人们的关注,多场环境影响下的岩石蠕变力学特性问题日益突出。开展该方面的研究对于准确预测和有效控制岩体工程的长期安全稳定有重要的理论意义。基于此,本文在前人的研究基础上,采用室内力学试验、理论分析和模型开发相结合的方法,研究了化学腐蚀、低温和渗流对岩石蠕变力学特性的影响规律。根据试验结果建立了低温条件下THB非线性蠕变模型、化学腐蚀环境下非线性改进H|M-CD蠕变模型和渗流-蠕变耦合ZNS模型,并通过FLAC3D实现程序开发。以大连地铁和东港岩土路基为工程背景,应用本文提出的理论模型进行数值计算分析。具体的研究内容如下：(1)从宏细观和化学损伤的角度出发,以大连地铁板岩为研究对象,开展不同水化学溶液(HCl、NaOH、NaCl)的腐蚀试验。探讨板岩的水化学腐蚀机制,对比分析了不同溶液下板岩的变形、强度特性和试件破裂形态变化规律。基于水化学损伤与纵波波速的经验公式引入水化学损伤变量,进行多场耦合有限元程序的岩石弹塑性应力-化学-损伤(MCD)计算模拟验证。开展了NaCl溶液腐蚀蠕变试验,揭示了不同浸泡时间板岩试件腐蚀特性。分析了不同腐蚀条件下试件各个蠕变阶段的变化规律和特征。总结了长期强度、蠕变速率、弹性模量随浸泡时间的变化规律。最后基于试验结果,提出了考虑化学损伤的5元件非线性黏弹塑性蠕变模型(H|M-CD模型),并利用1stOpt优化软件对模型参数进行辨识。(2)为了研究低温环境下的岩石蠕变特性,改进了一套可以开展低温条件岩石三轴蠕变的试验装置。开展了低温环境下(T0℃)含水类岩石的力学特性试验研究,对不同温度、不同含水率的类岩石试件蠕变规律进行对比分析,揭示了含水状态对低温环境下类岩石蠕变过程影响规律的机理。引入损伤变量,基于Burgers模型建立了一种适用于低温条件下不同含水状态的THB (Thermo-hydro Burgers)蠕变损伤本构模型,并通过试验数据拟合了损伤变量和蠕变参数。基于电阻率与蠕变的响应规律,发明了一种采用电阻率反映低温岩石三轴蠕变各阶段的方法。开展了冻融循环次数与化学腐蚀耦合影响规律试验研究,对比分析了石英砂岩和石英岩冻融-腐蚀前后的表面微观显微图像变化规律,揭示了不同条件作用下岩石的蠕变力学特性变化规律。(3)针对裂隙渗流的问题,首先通过自制的环向渗流耦合装置开展了不同接触状态的环向单裂隙渗流试验,对比分析了其渗流变化规律；然后,开展了板岩贯通裂隙受水化学溶液(NaCl、HCl、NaOH)腐蚀的渗透特性试验研究。通过对岩样SEM扫描和浸泡溶液pH值的对比,分析了水-岩作用对裂隙板岩微细观结构的影响机制,给出化学反应方程。通过不同溶液、不同浸泡时间裂隙试件的渗透性试验,宏观上获得了腐蚀环境下裂隙板岩的渗透性变化规律。基于试验数据建立不同溶液中板岩的渗透系数与浸泡时间的非线性关系,并引入裂隙渗流计算理论公式,采用FLAC3D的fish语言编写板岩裂隙化学-渗流-应力耦合计算程序来验证试验结果。(4)开展了加卸载循环扰动的渗流-蠕变耦合试验,揭示了蠕变过程中的渗流特性和蠕变规律,分析了岩石加卸载过程中的蠕变、渗透性变化规律和渗流-蠕变耦合机理,得到压密阶段、裂纹扩展阶段和裂纹贯通阶段岩石体积应变的发展规律,总结了渗透率与体积应变之间的关系。引入单元安全度ZSI(Zone State Index)的概念,通过ZSI判断蠕变各阶段的临界值,建立ZSI与渗透率的关系,基于西原模型,开发了非线性蠕变-渗流耦合模型ZNS(ZSI Nishihara Seepage)。经对比,数值计算结果与试验结果吻合较好。(5)基于以上提出的渗流-蠕变耦合ZNS模型,对大连地铁隧道202标段下穿铁路桥盾构施工进行数值模拟。分析了开挖面位于不同位置时的ZSI值和渗透系数的变化规律,实现了岩体破坏程度的量化评价和渗透系数实时呈现；利用以上提出的适用于低温环境的THB非线性蠕变模型,对东港岩土路基的冬季施工过程进行计算。模拟了施加碎石桩对路基蠕变沉降的影响规律,计算了路基在不同温度不同含水条件下的蠕变沉降,给出了针对冰冻期施工的处置意见。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
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本文编号：1327988