巖石流變力學(xué)特性的研究及其工程應(yīng)用

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1、河海大學(xué)博士學(xué)位論文巖石流變力學(xué)特性的研究及其工程應(yīng)用姓名：楊圣奇申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：徐衛(wèi)亞20060301摘要巖石流變力學(xué)試驗(yàn)不僅是了解巖石流變力學(xué)特性的最重要手段，而且是構(gòu)建巖石流變本構(gòu)模型的重要基礎(chǔ)。水利水電工程高壩壩基大多建于硬巖巖基上，高壩的建設(shè)往往伴隨著巖石高陡邊坡和大型地下洞室群的巖石工程問題，為了預(yù)測(cè)巖石工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，有必要開展硬巖的流變力學(xué)特性研究尤其是三軸流變?cè)囼?yàn)研究。巖石流變力學(xué)理論作為巖石力學(xué)中的前沿課題，近年來，研究工作進(jìn)展較快，特別是利用實(shí)測(cè)試驗(yàn)資料反演流變模型參數(shù)、進(jìn)而發(fā)展到對(duì)未知模型的辨識(shí)等。但巖石流變力學(xué)理論至今還不很成熟，許

2、多重大巖石工程的建設(shè)為巖石流變力學(xué)理論研究帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，當(dāng)前巖石流變力學(xué)特性和本構(gòu)模型理論的研究仍是其難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。有鑒于此，本文采用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相綜合的研究方法，基于巖石的三軸流變?cè)囼?yàn)，運(yùn)用非線性力學(xué)與損傷力學(xué)理論探討巖石流變力學(xué)特性，主要研究硬巖在不同圍壓作用下的流變力學(xué)特性，建立巖石非線性流變本構(gòu)模型，并將巖石流變力學(xué)特性的研究成果應(yīng)用到重大水利水電巖石工程實(shí)踐中。本文的主要研究工作如下：(1)基于在伺服試驗(yàn)機(jī)上得到的不同尺寸巖石單軸壓縮瞬時(shí)力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果，分析了巖石材料力學(xué)參數(shù)與尺寸之間的關(guān)系，采用損傷力學(xué)理論，考慮微元體破壞以及彈性模量與尺寸之間的非線

3、性關(guān)系，建立了考慮尺寸效應(yīng)的巖石損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型。采用伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，從強(qiáng)度、變形以及能量角度，研究了圍壓對(duì)巖石三軸壓縮瞬時(shí)力學(xué)特性的影響規(guī)律，分析了巖石三軸壓縮瞬時(shí)破壞機(jī)理。(2)采用巖石全自動(dòng)三軸流變伺服儀，對(duì)堅(jiān)硬大理巖與綠片巖進(jìn)行了三軸流變?cè)囼?yàn)，研究了巖石在不同圍壓作用下的軸向應(yīng)變以及側(cè)向應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律，探討了不同應(yīng)力水平下的軸向以及側(cè)向流變速率變化趨勢(shì)，分析了巖石三軸流變過程中的變形特性，討論了巖石體積流變及流變速率規(guī)律，掌握了堅(jiān)硬大理巖與綠片巖三軸流變特性的基本規(guī)律，為流變數(shù)值分析時(shí)參數(shù)的辨識(shí)提供了可靠試驗(yàn)依據(jù)。為了從機(jī)理和本質(zhì)上對(duì)巖石流變力學(xué)特性有更

4、清楚地認(rèn)識(shí)，通過對(duì)瞬時(shí)加載和長(zhǎng)期荷載作用下巖石破壞斷13進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)分柝，考察巖石細(xì)觀組構(gòu)變化對(duì)三軸流變力學(xué)特性的影響，從巖石微細(xì)觀角度來解釋宏觀流變力學(xué)特性，明確了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖石流變破裂機(jī)制。(3)基于巖石三軸流變?cè)囼?yàn)研究結(jié)果，提出了一個(gè)新的非線性粘性元件，并～I(xiàn)Il～河海大學(xué)博士學(xué)位論文將其與已有的塑性體并聯(lián)，得N-個(gè)新的能反映巖石加速流變特性的NVPB模型，然后將其與五元件粘彈性流變模型串聯(lián)起來，建立了一個(gè)新的巖石七元件非線性粘彈塑性流變模型(河海流變模型)。采用在巖石全自動(dòng)流變伺服儀上得到的流變?nèi)糖€，對(duì)提出的巖石七元件非線性粘彈塑性流變模型(河海流變模型)進(jìn)行了成功

5、辨識(shí)。基于提出的河海流變模型(HRM)，推導(dǎo)了巖石在恒應(yīng)力與恒應(yīng)力速率以及恒應(yīng)變與恒應(yīng)變速率情況下的流變方程，從理論上對(duì)巖石的非線性蠕變與松弛特性進(jìn)行了分析，同時(shí)應(yīng)用非線性粘彈塑性模型理論導(dǎo)出了巖石的三維蠕變方程，而且在河海流變模型基礎(chǔ)上，通過引進(jìn)一個(gè)塑性元件，建立了一個(gè)新的考慮巖石應(yīng)力閾值的廣義非線性粘彈塑性流變模型。(4)利用巖石剪切流變儀對(duì)龍灘水電站節(jié)理泥板巖進(jìn)行了剪切流變?cè)囼?yàn)，分析了泥板巖剪切位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，探討了不同應(yīng)力狀態(tài)下剪切流變速率的變化趨勢(shì)，討論了巖石剪切強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過將提出的非線性流變?cè)?NRC模型)與西原模型串聯(lián)起來，建立了新的能夠描述加速流變

6、特性的巖石非線性剪切流變模型。采用得到的泥板巖剪切流變?cè)囼?yàn)曲線，對(duì)建立的粘彈塑性剪切流變模型進(jìn)行了辨識(shí)，獲得了巖石粘彈塑性剪切流變模型的材料參數(shù)。(5)通過考察巖石粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，提出了一個(gè)考慮粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)的巖石非線性粘塑性體(CF—NVPB模型)。然后將CF-NVPB模型與廣義Kelvin粘彈性模型串聯(lián)起來，建立了一個(gè)新的考慮粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)的巖石非線性粘彈塑性流變模型。基于提出的考慮粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)的巖石非線性粘彈塑性流變模型，分析了巖石的非線性蠕變與松弛特性。(6)基于巖石非線性流變損傷機(jī)制分析，采用時(shí)間損傷與能量損傷理論，建立了能夠反映加速流變特性

7、的巖石非線性蠕變損傷模型，并利用巖石流變?nèi)淘囼?yàn)曲線，對(duì)其進(jìn)行了充分的驗(yàn)證?；谔岢龅膸r石非線性粘彈塑性流變本構(gòu)模型，采用損傷力學(xué)理論，將損傷變量引入到所建非線性粘彈塑性流變本構(gòu)模型中。建立了巖石非線性粘彈塑性流變損傷本構(gòu)模型，同時(shí)推導(dǎo)了巖石的非線性蠕變損傷與松弛損傷方程，并對(duì)其非線性流變損傷特性進(jìn)行了分析。(7)將巖石流變力學(xué)特性的試驗(yàn)和理論研究成果應(yīng)用于錦屏一級(jí)水電站高壩壩基巖體工程與構(gòu)皮灘水電站右岸拱肩槽下游山體高邊坡工程實(shí)踐中。預(yù)測(cè)復(fù)雜