高壩壩區(qū)硬脆性裂隙巖體的流變強度時效模型及工程應(yīng)用研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展及水利水電資源不斷的開發(fā)利用，巖石工程項目不僅越來越多，工程開挖規(guī)模也越來越大，由此引出的圍巖穩(wěn)定性問題日益突顯。巖體工程穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵在于需要深入了解工程巖體的流變力學特性及其相應(yīng)的巖體力學參數(shù)取值方法，并在理論上深入地對工程巖體長期運行穩(wěn)定性進行分析，其中的關(guān)鍵就是需要分析得出材料力學參數(shù)隨應(yīng)力和時間不斷弱化的時效演化模型，特別是建立考慮時間效應(yīng)的流變強度時效模型。本文以大崗山水電站壩區(qū)的硬脆性輝綠巖為研

2、究對象，基于對硬脆性輝綠巖在不同應(yīng)力狀態(tài)下的室內(nèi)三軸流變試驗結(jié)果，確定出了硬脆性巖體的力學參數(shù)隨時間和應(yīng)力水平的變化規(guī)律，繼而建立了硬脆性巖體的流變時效強度模型，并將其應(yīng)用到了實際工程的數(shù)值分析中。本文的研究工作主要是以下幾個方面:
　　 (1)采用全自動巖石三軸流變伺服儀開展了大崗山水電站壩區(qū)硬脆性輝綠巖的室內(nèi)三軸流變力學特性試驗，分別從軸向、側(cè)向和體積變形等三個方面分析了不同圍壓、不同應(yīng)力水平下硬脆性巖石變形隨時間的變化規(guī)律

3、，研究了硬脆性輝綠巖在三軸流變過程中的變形特性，探討了巖石的等時應(yīng)力～應(yīng)變曲線特征、變形速率特征、蠕變對變形和強度的影響，分析了巖石的蠕變損傷閥值，并從細觀和宏觀力學兩個方面解釋了硬脆性輝綠巖的蠕變過程曲線，初步掌握了硬脆性輝綠巖流變特性的基本規(guī)律，明確了硬脆性巖石的流變破裂機理。
　　 (2)依據(jù)中水顧成都勘測設(shè)計研究院在壩區(qū)現(xiàn)場做的大型直剪試驗和大型剪切蠕變試驗的資料，研究了考慮加載歷史影響的剪切蠕變變形規(guī)律和剪切蠕變速率特

4、性，通過模型辨識和參數(shù)反演得到了硬脆性輝綠巖體的剪切蠕變參數(shù)。分別采用等時應(yīng)力～應(yīng)變曲線法、非穩(wěn)定蠕變判別法和穩(wěn)態(tài)蠕變速率法計算獲得了壩區(qū)硬脆性輝綠巖體的長期剪切流變強度，并將各結(jié)果進行了對比分析，最終確定出了硬脆性輝綠巖體的長期剪切流變強度。將巖體的長期抗剪指標與瞬時抗剪指標進行了對比，得到了巖體在長期恒定荷載作用下強度參數(shù)的衰減百分率。
　　 (3)通過分析硬脆性輝綠巖蠕變過程中力學參數(shù)的弱化規(guī)律，建立了巖體彈性模量E、粘聚

5、力C、內(nèi)摩擦角(φ)與應(yīng)力及時間的時效演化模型，從定量的角度描述了硬脆性輝綠巖在蠕變過程中的損傷演化過程，并基于蠕變破壞時巖體的強度變化驗證了時效演化模型的合理性與正確性。
　　 (4)基于硬脆性輝綠巖單軸、三軸壓縮試驗的結(jié)果，從變形、強度、能量及破壞等不同角度對硬脆性輝綠巖在不同應(yīng)力狀態(tài)下的變形特征、強度特征及能量耗散特征等進行了較為系統(tǒng)的分析，獲得了硬脆性輝綠巖的基本力學特性和變形破壞規(guī)律。利用裂紋應(yīng)變模型，明確了巖體內(nèi)部裂

6、紋發(fā)展演化的規(guī)律以及強度破壞機理。
　　 (5)將硬脆性巖體力學參數(shù)的時效演化模型引入到八面體應(yīng)變能強度模型中，建立硬脆性巖體的流變強度時效模型，并通過三軸試驗結(jié)果驗證了該流變時效強度模型的正確性。
　　 (6)通過C++與Fish編程對有限差分軟件Flac3D進行二次開發(fā)，實現(xiàn)力學參數(shù)時效演化模型的程序化和強度準則的非線性化，并將其應(yīng)用于大崗山水電站壩區(qū)邊坡的長期穩(wěn)定性分析中，系統(tǒng)地對位移矢量場、應(yīng)力矢量場以及塑性屈服