巖石流變力學特性的研究及其工程應用.pdf

1、巖石流變力學試驗不僅是了解巖石流變力學特性的最重要手段，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，為了預測巖石工程的長期穩(wěn)定性，有必要開展硬巖的流變力學特性研究尤其是三軸流變試驗研究。巖石流變力學理論作為巖石力學中的前沿課題，近年來，研究工作進展較快，特別是利用實測試驗資料反演流變模型參數(shù)、進而發(fā)展到對未知模型的辨識等。但巖石流變力學理論

2、至今還不很成熟，許多重大巖石工程的建設為巖石流變力學理論研究帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，當前巖石流變力學特性和本構(gòu)模型理論的研究仍是其難點和熱點問題。有鑒于此，本文采用試驗研究、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試驗，運用非線性力學與損傷力學理論探討巖石流變力學特性，主要研究硬巖在不同圍壓作用下的流變力學特性，建立巖石非線性流變本構(gòu)模型，并將巖石流變力學特性的研究成果應用到重大水利水電巖石工程實踐中。 本文的主要研究工

3、作如下：(1)基于在伺服試驗機上得到的不同尺寸巖石單軸壓縮瞬時力學特性試驗結(jié)果，分析了巖石材料力學參數(shù)與尺寸之間的關(guān)系，采用損傷力學理論，考慮微元體破壞以及彈性模量與尺寸之間的非線性關(guān)系，建立了考慮尺寸效應的巖石損傷統(tǒng)計本構(gòu)模型。采用伺服試驗機對巖石進行了三軸壓縮試驗，從強度、變形以及能量角度，研究了圍壓對巖石三軸壓縮瞬時力學特性的影響規(guī)律，分析了巖石三軸壓縮瞬時破壞機理。 (2)采用巖石全自動三軸流變伺服儀，對堅硬大理巖與綠片

4、巖進行了三軸流變試驗，研究了巖石在不同圍壓作用下的軸向應變以及側(cè)向應變隨時間變化規(guī)律，探討了不同應力水平下的軸向以及側(cè)向流變速率變化趨勢，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)值分析時參數(shù)的辨識提供了可靠試驗依據(jù)。為了從機理和本質(zhì)上對巖石流變力學特性有更清楚地認識，通過對瞬時加載和長期荷載作用下巖石破壞斷口進行電鏡掃描試驗分析，考察巖石細觀組構(gòu)變化對

5、三軸流變力學特性的影響，從巖石微細觀角度來解釋宏觀流變力學特性，明確了復雜應力狀態(tài)下巖石流變破裂機制。 (3)基于巖石三軸流變試驗研究結(jié)果，提出了一個新的非線性粘性元件，并將其與已有的塑性體并聯(lián)，得到一個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)。采用在巖石全自動流變伺服儀上得到的流變?nèi)糖€，對提出的巖石七元件非線性粘彈塑性流

6、變模型(河海流變模型)進行了成功辨識?；谔岢龅暮雍Ａ髯兡Ｐ?HRM)，推導了巖石在恒應力與恒應力速率以及恒應變與恒應變速率情況下的流變方程，從理論上對巖石的非線性蠕變與松弛特性進行了分析，同時應用非線性粘彈塑性模型理論導出了巖石的三維蠕變方程，而且在河海流變模型基礎(chǔ)上，通過引進一個塑性元件，建立了一個新的考慮巖石應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龍灘水電站節(jié)理泥板巖進行了剪切流變試驗，分析了泥板

7、巖剪切位移隨時間的變化規(guī)律，探討了不同應力狀態(tài)下剪切流變速率的變化趨勢，討論了巖石剪切強度隨時間的變化規(guī)律。通過將提出的非線性流變元件(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試驗曲線，對建立的粘彈塑性剪切流變模型進行了辨識，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)隨時間的變化規(guī)律，提出了一個考慮粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)的巖

8、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?；谔岢龅目紤]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制分析，采用時間損傷與能量損傷理論，建立了能夠反映加速流變特性的巖石非線性蠕變損傷模型，并利用巖石流變?nèi)淘囼炃€，對其進行了充分的驗證

9、。基于提出的巖石非線性粘彈塑性流變本構(gòu)模型，采用損傷力學理論，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，同時推導了巖石的非線性蠕變損傷與松弛損傷方程，并對其非線性流變損傷特性進行了分析。 (7)將巖石流變力學特性的試驗和理論研究成果應用于錦屏一級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踐中，預測復雜應力狀態(tài)下巖石工程的長期穩(wěn)定性，為巖石工程的長期穩(wěn)定與安