硬质裂隙岩体三轴加载及卸荷蠕变特性研究

发布时间：2017-05-07 07:03

  本文关键词：硬质裂隙岩体三轴加载及卸荷蠕变特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来随着一些如高边坡、大型地下洞室等重大岩体工程项目的实施,越来越多的工程实践表明,硬质岩体的变形破坏常常会经历一个较为明显的时效过程。基于此,结合导师国家自然科学基金面上项目“高残余应力下卸荷破裂硬岩的流变特性及时效扩展机理研究”(41172243),本文以锦屏I级水电站大理岩和重庆机场砂岩为原样制备裂隙岩体,采用室内试验、理论分析和数值计算等相结合的方法,对常规单、三轴压缩条件下裂隙岩体的变形及破坏特征、不同加载与卸荷路径条件下裂隙岩体的蠕变特性、裂隙岩体加载及卸荷蠕变本构模型及参数相关性、裂隙岩体蠕变损伤模型和裂隙岩体时效扩展模拟计算方法等进行了研究。主要研究内容如下:①对制备的完整岩石及不同类型的裂隙岩体进行了单、三轴压缩试验,研究了完整岩石与裂隙岩体的强度与变形特征,以及各类岩石与裂隙岩体的破坏特征,并采用数值软件AUTODYN对三轴压缩条件下双裂隙砂岩的扩展模式进行了模拟;②利用RLW-2000岩石流变试验机对完整大理岩、单裂隙岩体模型试件以及双裂隙砂岩等进行了三轴加载及卸荷蠕变试验研究,重点分析了分级卸荷量对大理岩三轴蠕变特性的影响,不同类型的裂隙岩体在三轴加载及卸荷蠕变条件下的变形与破坏特征,并与常规三轴压缩条件下裂隙岩体的特征应力和破坏模式进行了对比;③基于三轴加卸荷蠕变试验曲线特征采用传统的元件模型对未出现加速蠕变阶段的完整岩石、裂隙岩体的三轴蠕变特性进行了描述,采用最小二乘法对模型参数进行了辨识,并对不同条件下的参数变化规律展开了系统地讨论;④根据已有的相关研究成果,假定没有出现加速蠕变阶段的裂隙岩体其裂隙未扩展,从而将预制的裂隙看成一种初始损伤并计算其损伤变量,并利用应变等效和能量等价原理建立了裂隙岩体损伤流变本构模型,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系,并与室内试验结果进行了对比与分析;⑤根据试验及理论分析结果,并结合国内外已有的相关研究成果,基于裂隙岩体的变形及破裂在裂隙尖端应力强度因子K与亚临界断裂韧度K0和断裂韧度KC间的大小不同而有较大区别的认识,提出了裂隙岩体的数值计算方法。并以FLAC2D有限差分软件为基础,利用FISH语言编写本构模型进行二次开发,实现了裂隙岩体蠕变的程序化计算。并分别以单个单元和多个单元建立模型,计算模型在受恒定荷载作用下随时间的变形与破坏特征,验证了所建立的数值模拟方案的科学性。
【关键词】：岩体力学 硬质裂隙岩体 三轴加载及卸荷应力路径 蠕变特性 裂纹扩展
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 论文研究意义及立论依据10-12
• 1.2 国内外研究现状及评述12-20
• 1.2.1 岩石蠕变特性试验研究现状13-15
• 1.2.2 岩石蠕变本构模型理论研究现状15-18
• 1.2.3 裂隙岩体蠕变特性研究现状18-20
• 1.3 主要研究内容20-21
• 1.4 技术路线21-24
• 2 裂隙岩体压缩力学特性试验研究24-60
• 2.1 引言24-25
• 2.2 试验技术25-30
• 2.2.1 试样制备25-28
• 2.2.2 主要试验设备28-29
• 2.2.3 试验数据处理方法29-30
• 2.3 完整岩石的力学特性30-34
• 2.3.1 大理岩相似材料物理力学参数30-31
• 2.3.2 砂岩力学参数及破坏特征31-34
• 2.4 单裂隙岩体相似材料单轴压缩试验34-36
• 2.5 双裂隙砂岩常规压缩试验36-45
• 2.5.1 裂隙充填物力学参数36-37
• 2.5.2 单轴压缩试验37-38
• 2.5.3 三轴压缩试验38-45
• 2.6 双裂隙砂岩三轴压缩裂纹扩展演化模拟45-58
• 2.6.1 数值计算模型及参数45-48
• 2.6.2 缓缓裂隙组合岩体扩展及贯通模式48-51
• 2.6.3 陡缓裂隙组合岩体扩展及贯通模式51-54
• 2.6.4 陡陡裂隙组合岩体扩展及贯通模式54-58
• 2.7 本章小结58-60
• 3 裂隙岩体三轴加载及卸荷蠕变特性试验研究60-90
• 3.1 引言60
• 3.2 试验方案设计60-64
• 3.3 试验技术64-65
• 3.3.1 主要试验设备64-65
• 3.3.2 试验加载路径及数据处理方法65
• 3.4 分级卸荷量对大理岩三轴蠕变特性的影响分析65-69
• 3.5 单裂隙岩体相似材料三轴卸荷蠕变试验结果分析69-72
• 3.5.1 破坏强度及模式分析69-71
• 3.5.2 变形特征分析71-72
• 3.6 双裂隙砂岩三轴加载及卸荷蠕变试验结果分析72-88
• 3.6.1 加载蠕变试验结果及分析72-84
• 3.6.2 卸荷蠕变试验结果及分析84-88
• 3.7 本章小结88-90
• 4 裂隙岩体加载及卸荷蠕变本构模型与参数相关性分析90-112
• 4.1 引言90
• 4.2 元件组合模型90-95
• 4.2.1 基本元件90-92
• 4.2.2 典型组合模型92-94
• 4.2.3 一维模型向三维的推广94-95
• 4.3 不同分级卸荷量下大理岩蠕变模型及参数规律分析95-100
• 4.3.1 蠕变模型选取与参数反演95-98
• 4.3.2 模型参数随分级卸荷量变化规律分析98-100
• 4.4 单裂隙岩体相似模型三轴卸荷蠕变模型及参数规律分析100-101
• 4.5 双裂隙砂岩三轴加载及卸荷蠕变模型与参数规律分析101-110
• 4.5.1 加载蠕变模型与参数反演101-104
• 4.5.2 加载蠕变模型参数变化规律分析104-107
• 4.5.3 卸荷蠕变模型与参数变化规律分析107-110
• 4.5.4 关于裂隙岩体蠕变模型选取的讨论110
• 4.6 本章小结110-112
• 5 基于损伤力学的岩体裂隙不扩展阶段蠕变模型研究112-128
• 5.1 引言112
• 5.2 岩体损伤变量112-117
• 5.2.1 岩体损伤变量定义描述112-115
• 5.2.2 岩体损伤变量计算115-117
• 5.3 岩体有效应力117-118
• 5.4 岩体损伤蠕变模型及试验对比118-126
• 5.4.1 基于Lemaitre应变等效原理的岩体损伤蠕变模型118-119
• 5.4.2 基于Sidoroff能量等价原理的岩体损伤蠕变模型119-121
• 5.4.3 与试验结果对比121-126
• 5.5 本章小结126-128
• 6 基于断裂力学的岩体裂隙时效扩展数值模拟128-152
• 6.1 引言128
• 6.2 岩体裂隙时效扩展模型128-133
• 6.2.1 裂纹长度与时间的关系128-129
• 6.2.2 裂纹扩展模式假定129-133
• 6.3 数值计算模型及程序流程133-137
• 6.3.1 数值计算方案133-135
• 6.3.2 Burgers粘弹塑性损伤蠕变模型135-136
• 6.3.3 程序流程图136-137
• 6.4 数值模拟计算结果137-149
• 6.4.1 单个单元模型138-145
• 6.4.2 多个单元模型145-149
• 6.5 本章小结149-152
• 7 结论与展望152-156
• 7.1 主要结论152-154
• 7.2 对后续研究工作的展望154-156
• 致谢156-158
• 参考文献158-172
• 附录172-173
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录172
• B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利172-173
• C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目173

【参考文献】

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