深部圍巖蠕變特性試驗研究及其數(shù)值模擬.pdf

1、流變性是巖石重要的力學特性之一，研究流變力學特性的最重要手段就是開展巖石流變力學試驗。隨著近年來大型地下洞室、開挖巷道逐步向深部發(fā)展，修建過程中的安全性以及運營期的穩(wěn)定性等巖石工程問題逐漸凸顯出來，而項目的長期穩(wěn)定性問題與巖石的流變力學特性密切相關(guān)，同時一大批大型巖石工程項目的建設更是給巖石流變力學的研究帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，因此開展巖體（特別是深部軟弱圍巖）在單向、三向應力條件下的流變力學特性研究具有重大的理論價值和實踐意義。本文以國家自

2、然科學基金項目（50874043）：深部圍巖蠕變損傷特性及其應用研究為依托，以湖南邵東縣牛馬司水井頭煤礦為工程背景，采用試驗研究、數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，基于單軸、三軸壓縮變形試驗和蠕變特性試驗來探討巖石的瞬時力學強度、變形特性和流變力學特性，主要研究粉砂巖在不同應力水平和狀態(tài)下的流變力學特性，建立與之適用的單軸、三軸流變本構(gòu)模型，在VC++的環(huán)境下實現(xiàn)自定義本構(gòu)模型的程序研制，并在FLAC3D軟件中實現(xiàn)自定義模型的調(diào)用，進行與室內(nèi)蠕

3、變特性試驗同條件的蠕變試驗數(shù)值模擬研究，并對不同參數(shù)對蠕變特性的影響進行敏感性分析。
　　本文的主要研究工作如下：
　　（1）基于RMT-150C伺服試驗機得到的粉砂巖單軸、三軸壓縮瞬時力學特性試驗結(jié)果，求取了巖石的各項基本力學和變形參數(shù)，并從應力應變曲線的特征、強度及變形指標、破壞形態(tài)角度，分析了單軸、不同圍壓的三軸條件下粉砂巖的瞬時力學特性及變化規(guī)律，探討了不同應力狀態(tài)下粉砂巖壓縮瞬時破壞機理。
　?。?）基于RY

4、L-600巖石三軸流變試驗機對粉砂巖進行單軸、三軸流變特性試驗，研究了巖石在不同應力水平和圍壓下軸向應變隨時間變化的規(guī)律，分析了等時應力應變曲線的特征。通過對試驗數(shù)據(jù)進行粘彈塑性分離，進一步探討了巖石流變的粘彈塑性特征，探討了不同應力水平下軸向蠕變應變穩(wěn)定蠕變速率的變化規(guī)律，分析了巖石在蠕變破壞荷載下軸向應變、軸向流變速率的變化規(guī)律，并對比分析了軸向、側(cè)向蠕變的變化規(guī)律，由此掌握了粉砂巖單軸、三軸流變特性的規(guī)律，同時為流變數(shù)值分析時參數(shù)

5、的辨識提供了可靠的試驗依據(jù)。
　　（3）基于粉砂巖單軸流變試驗研究結(jié)果，通過對理想塑性體進行改進，進一步將其與廣義開爾文體串聯(lián)，得到了一個新的能全面反映巖石瞬彈、瞬塑、粘彈、粘塑的六元件粘彈塑性流變模型（mcvisc模型）；基于粉砂巖三軸流變試驗研究結(jié)果，在西原模型的基礎上，通過串聯(lián)一個開爾文體，得到了一個能全面反映巖石瞬彈、粘彈、粘塑的七元件粘彈塑性流變模型（mcvisc2模型）；基于單軸、三軸流變試驗曲線，利用數(shù)學軟件Orig

6、in8.0強大的非線性擬合功能自定義擬合函數(shù)，對建立的單軸、三軸流變本構(gòu)模型進行參數(shù)的辨識。
　?。?）基于已建立的單軸、三軸流變本構(gòu)模型，將其三維形式的本構(gòu)關(guān)系進一步推導為有限差分形式，在VC++的環(huán)境下以FLAC3D內(nèi)嵌的cvisc模型為藍本分別對單軸、三軸流變模型實現(xiàn)了自定義本構(gòu)模型的程序研制，并分別編譯成動態(tài)鏈接庫文件mcvisc.dll和mcvisc2.dll。利用FLAC3D內(nèi)嵌的本構(gòu)模型對模型的退化形式進行驗證，以此

7、證明模型開發(fā)的正確性和適應性?；诖藢Τ绦虻拈_發(fā)流程和程序研制中的關(guān)鍵問題進行了簡要的介紹。
　?。?）在FLAC3D軟件中分別調(diào)用自行研制的本構(gòu)模型（mcvisc模型和mcvisc2模型），分別開展與室內(nèi)流變試驗同條件的單軸、三軸數(shù)值流變試驗模擬研究，通過對比數(shù)值結(jié)果與流變試驗結(jié)果，驗證了自定義模型的正確性和適應性?；跀?shù)值試驗結(jié)果進一步探討軸向、側(cè)向流變變化規(guī)律并對比分析其對流變變化的敏感性差異，同時對試件側(cè)向不同位置的流變變