深埋軟巖隧道流變特征研究.pdf

1、巖體變形是一個與時間相關的過程，尤其是軟巖，其變形通常具有一定的時效性。彈塑性理論無法描述和預測這一過程，而流變力學理論較好的克服了這個缺點。合理描述巖體與時間相關的力學特征和行為對于實際工程有著重要的意義。本論文以錦屏二級水電站引水隧洞西端綠泥石片巖段為工程依托，基于相關試驗和現(xiàn)場實測變形，采用理論分析和數(shù)值計算等方法，從巖石流變本構模型出發(fā)，研究了適合于描述軟巖隧道流變特性的本構模型，并將該模型應用于數(shù)值模擬中，同時還研究了流變參數(shù)

2、反演的方法。主要研究內(nèi)容及成果包括以下幾個方面:
　　(1)對工程區(qū)綠泥石片巖進行了室內(nèi)試驗。采用掃描電鏡-能譜分析對綠泥石片巖的微結(jié)構特征及元素組成進行了分析;采用巖石力學剛性試驗機對綠泥石片巖干燥及飽和狀態(tài)下的力學特征進行了研究，以期獲得對綠泥石片巖在高地應力狀態(tài)下變形和破壞特征的認識;
　　(2)根據(jù)Riemann-Liouville分數(shù)階微積分理論，提出了統(tǒng)一采用基于分數(shù)階微積分形式表達的四元件非線性粘彈塑性流變模型

3、，給出了該模型的本構方程及蠕變方程，并將該模型與綠片巖蠕變試驗及巖鹽蠕變試驗數(shù)據(jù)分別進行了擬合，結(jié)果表明該模型可以有效反映巖石三個階段的蠕變特性，并且起到了減少模型元件個數(shù)及參數(shù)的作用;
　　(3)提出了蠕變?nèi)齻€階段過程中非定常參數(shù)分別隨時間和隨應變衰減的方程，并根據(jù)衰減方程建立了改進三參量H-K流變模型，并結(jié)合相關試驗數(shù)據(jù)對模型進行了辨識，結(jié)果顯示兩種參數(shù)衰減的形式均能較好的反映巖石蠕變的三個階段;
　　(4)推導了基于分

4、數(shù)階Maxwell模型的隧道粘彈性位移解析方程，同時考慮了掌子面及支護作用的影響，通過與Burgers模型的解析解對比，顯示兩種模型在某個時間段可以達到相一致的結(jié)果;
　　(5)基于巖石蠕變?nèi)A段的特點，提出了蠕變參數(shù)隨等效應變而衰減的改進三參量H-K(廣義Kelvin)三維本構模型，并用來反映軟弱圍巖在不同應力水平下的彈性變形及蠕變變形，同時給出了該模型應用于有限差分程序FLAC3D中的方法，即采用FLAC3D內(nèi)嵌的FISH語言

5、，在計算過程中動態(tài)評估和修正蠕變參數(shù);
　　(6)基于改進三參量H-K本構模型，采用有限差分程序FLAC3D探討了軟巖隧道在不同埋深及側(cè)壓力系數(shù)時的蠕變變形特征、掌子面對隧道流變的影響、施工停止時間對隧道流變的影響以及臺階法開挖對隧道流變的影響;
　　(7)結(jié)合綠泥石片巖蠕變試驗及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，探討了采用粒子群算法對流變參數(shù)反演的方法，同時將有限差分程序FLAC3D、均勻設計法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡及粒子群算法相結(jié)合，建立了工程巖體