含水泥質(zhì)粉砂巖蠕變特性及其在軟巖隧道穩(wěn)定性分析中的應用研究.pdf

1、流變是巖石材料的重要力學特征，許多巖土工程問題都與巖石的流變特性有密切關(guān)系，巖石流變現(xiàn)象給實際工程帶來的影響已引起國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。目前，在描述和處理巖石的時間效應及其流變屬性方面取得了較大的進展，但針對含水狀態(tài)下巖石流變特性的研究成果并不多見，而實際中卻存在許多長期受地下水影響的巖石工程問題，因此正確了解并掌握巖石(特別是軟巖)在地下水環(huán)境中的流變特性具有重要的現(xiàn)實意義。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)

2、合的研究方法，對含水泥質(zhì)粉砂巖蠕變特性及其在軟巖隧道穩(wěn)定性分析中的應用等進行了較為系統(tǒng)和深入的研究。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 ①從桃樹埡隧道現(xiàn)場采集新鮮的T2b2泥質(zhì)粉砂巖，進行了不同含水狀態(tài)下的力學特性試驗，獲得了四種含水率情況下的應力-應變關(guān)系曲線?；赥2b2泥質(zhì)粉砂巖單軸蠕變試驗，獲得了不同含水狀態(tài)下五級荷載的單軸應變-時間曲線，分析得到了蠕變隨不同應力水平及不同含水狀態(tài)的變化規(guī)律。
　　 ②基于巖石

3、非線性流變力學基本理論，在T2b2泥質(zhì)粉砂巖應力-應變關(guān)系相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種修正的Kelvin模型，并建立了該模型一維情況下的流變本構(gòu)方程，分析表明修正Kelvin體在描述巖石流變特性時具有更好的適應性。
　　 ③針對T2b2泥質(zhì)粉砂巖蠕變模型的辨識問題，首先提出了一種可用階躍函數(shù)表示的開關(guān)元件，并將開關(guān)元件和牛頓體并聯(lián)建立了修正牛頓體，然后將修正牛頓體、修正Kelvin體、Hoek體串聯(lián)得到可描述巖石非線性蠕變特性的

4、MBurgers模型?；诜蔷€性最小二乘理論，結(jié)合T2b2泥質(zhì)粉砂巖的單軸蠕變試驗結(jié)果，對MBurgers模型參數(shù)進行了回歸反演，將反演得到的參數(shù)代入模型進行計算，得到的理論曲線與試驗曲線相比吻合較好，表明MBurgers模型能較好地描述T2b2泥質(zhì)粉砂巖的單軸蠕變特性。
　　 ④針對含水率變化對泥質(zhì)粉砂巖蠕變特性的影響問題，定義了巖石的含水率損傷概念，引入瞬間彈性損傷D(w)、長期蠕變損傷D'(w)兩個損傷變量且推導了損傷演化

5、公式，建立了考慮含水損傷效應的MBurgers蠕變方程，并針對含水率恒定和含水率隨時間變化兩種情況進行了分析與計算。
　　 ⑤通過對考慮含水損傷Mburgers模型進行退化假定分析，得到了幾種常見的流變模型。對不考慮參數(shù)α影響退化得到的可考慮含水損傷KBurgers模型分別進行了常泊松比和常體積模量假定下的三維形式推廣，并研究得到了不同建模思路下模型參數(shù)之間的換算關(guān)系。通過對常體積模量假定下模型參數(shù)隨含水率變化的損傷演化規(guī)律進行

6、了分析，獲得了常體積模量假定下的瞬間彈性損傷和長期蠕變損傷演化方程。將Mohr-Coulomb元件與KBurgers模型串聯(lián)，并假定粘彈和粘塑應變率分量變形協(xié)調(diào)，建立了能模擬粘彈塑性偏量特性和彈塑性體積行為的KBurgers-MC模型，新模型除具有瞬間彈性變形、衰減蠕變、等速蠕變和含水損傷的性質(zhì)外，還可以描述塑性變化引起的不穩(wěn)定蠕變特性。
　　 ⑥基于有限差分理論，推導得到了KBurgers-MC模型的有限差分格式，并結(jié)合FLA