高圍壓高孔隙水壓作用下巖石卸荷蠕變特性研究及其工程應(yīng)用.pdf

1、隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)中深埋隧道不斷涌現(xiàn),如秦嶺隧道、錦屏引水隧道、青藏鐵路新關(guān)角隧道等,高應(yīng)力高水壓條件下隧道安全施工問(wèn)題日益突出。在高應(yīng)力高水壓共同作用下,深埋隧道圍巖體的力學(xué)響應(yīng)有別于淺部巖體。深埋隧道圍巖圍巖裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及圍巖變形破壞等現(xiàn)象,已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外專家的關(guān)注,但對(duì)其成因尚缺乏深入分析研究?；诖?本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,系統(tǒng)研究了砂巖在高圍壓高孔隙水壓作用下卸荷過(guò)程瞬時(shí)變形強(qiáng)

2、度特征以及長(zhǎng)期流變力學(xué)特性,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了適用于描述高圍壓高孔隙水壓下砂巖卸荷強(qiáng)度特性的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)m、s的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃涂梢钥紤]孔隙水壓作用效應(yīng)的非線性黏彈塑性卸荷蠕變模型。以某受巖溶水影響的深埋隧道開(kāi)挖工程為背景,通過(guò)大型有限差分軟件 FLAC3D,應(yīng)用本文的試驗(yàn)與理論研究成果對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。主要研究?jī)?nèi)容和包括：
　?、倮脦r石材料剛性伺服試驗(yàn)機(jī)MTS815對(duì)某深部砂巖巖樣進(jìn)行了單軸加載、常規(guī)三軸加載

3、、升軸壓卸圍壓和不同孔隙水壓作用下定軸壓卸圍壓瞬時(shí)力學(xué)特性進(jìn)行了研究,分析了不同加載條件下巖樣變形強(qiáng)度特征,重點(diǎn)研究了高圍壓高孔隙水壓下砂巖卸荷破壞圍壓與偏應(yīng)力強(qiáng)度之間關(guān)系,得到了Hoek-Brown準(zhǔn)則參數(shù)m、s隨破壞圍壓變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?使得含有經(jīng)驗(yàn)參數(shù)模型的Hoek-Brown準(zhǔn)則,能更好地描述高圍壓高孔隙水壓下砂巖卸荷強(qiáng)度特性。
　?、诓捎肦LW-2000巖石流變?cè)囼?yàn)機(jī),對(duì)砂巖進(jìn)行了不同孔隙水壓下定軸壓卸圍壓蠕變?cè)囼?yàn),基于試

4、驗(yàn)結(jié)果,研究了應(yīng)力水平和孔隙水壓對(duì)砂巖蠕變變形特性的影響。重點(diǎn)研究了定軸壓卸圍壓過(guò)程,不同孔隙水壓作用下砂巖卸荷蠕變過(guò)程瞬時(shí)變形、蠕變變形、瞬時(shí)變形模量、體積蠕變變形和蠕變速率的變化規(guī)律。
　　③通過(guò)研究高圍壓下不同孔隙水壓作用時(shí),砂巖定軸壓卸圍壓蠕變過(guò)程黏彈性階段變形模量的變化規(guī)律,得到了變形模量隨時(shí)間和水壓變化的非線性表達(dá)式,令Kelvin模型中彈性元件的彈性系數(shù)滿足此表達(dá)式,再將其與虎克體串聯(lián),得到一個(gè)改進(jìn)的非線性廣義 Ke

5、lvin模型,分析了該模型的基本力學(xué)特性,推導(dǎo)了模型的本構(gòu)方程和蠕變方程。該模型能較好的描述高圍壓高孔隙水壓下砂巖黏彈性蠕變特性。
　　④用指數(shù)函數(shù)對(duì)不同孔隙水壓作用下定軸壓卸圍壓加速蠕變曲線進(jìn)行擬合,得到加速蠕變段非線性經(jīng)驗(yàn)蠕變方程,在將該方程與線性黏性元件蠕變方程進(jìn)行對(duì)比分析,得到一個(gè)非線性黏性元件,其黏滯系數(shù)是關(guān)于時(shí)間和孔隙水壓的表達(dá)式。將該非線性黏性元件通過(guò)應(yīng)力觸發(fā)方式和塑性元件并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)非線性黏塑性模型,即改進(jìn)的非線性

6、 Bingham模型,分析了模型的力學(xué)特性。該模型可以描述不同孔隙水壓下砂巖卸荷加速蠕變特性。
　　⑤將改進(jìn)的非線性廣義Kelvin模型和非線性Bingham模型進(jìn)行串聯(lián),建立一個(gè)適用于描述高圍壓不同孔隙水壓作用下砂巖卸荷蠕變特性的非線性黏彈塑性蠕變模型,該模型能較好地反映加速蠕變特征,推導(dǎo)了模型的本構(gòu)方程和蠕變方程。利用高圍壓不同孔隙水壓作用下砂巖卸荷蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果,采用基于 Quasi-Newton算法(BFGS)的MATLAB

7、編程實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性黏彈塑性蠕變模型參數(shù)的辨識(shí),辨識(shí)效果比較理想。
　?、藁诶窭嗜沼邢薏罘掷碚?推導(dǎo)了高圍壓高孔隙水壓下非線蠕變模型的有限差分形式,采用基于Hoek-Brown準(zhǔn)則參數(shù)m、s經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腗ohr-Coulomb為屈服準(zhǔn)則,結(jié)合FLAC3D良好的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)非線性粘彈塑性蠕變模型進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。對(duì)比蠕變?cè)囼?yàn)曲線與由該模型得到的數(shù)值試驗(yàn)曲線,二者較為吻合,驗(yàn)證了二次開(kāi)發(fā)程序的正確性。
　?、呃梅蔷€性粘彈塑性蠕變