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,高應力高水壓條件下隧道安全施工問題日益突出。在高應力高水壓共同作用下,深埋隧道圍巖體的力學響應有別于淺部巖體。深埋隧道圍巖圍巖裂縫的產(chǎn)生、擴展以及圍巖變形破壞等現(xiàn)象,已經(jīng)引起國內(nèi)外專家的關(guān)注,但對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、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程瞬時變形強

2、度特征以及長期流變力學特性,根據(jù)試驗結(jié)果建立了適用于描述高圍壓高孔隙水壓下砂巖卸荷強度特性的Hoek-Brown強度準則參數(shù)m、s的經(jīng)驗模型和可以考慮孔隙水壓作用效應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挖工程為背景,通過大型有限差分軟件 FLAC3D,應用本文的試驗與理論研究成果對其進行數(shù)值計算分析。主要研究內(nèi)容和包括：
　?、倮脦r石材料剛性伺服試驗機MTS815對某深部砂巖巖樣進行了單軸加載、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力學特性進行了研究,分析了不同加載條件下巖樣變形強度特征,重點研究了高圍壓高孔隙水壓下砂巖卸荷破壞圍壓與偏應力強度之間關(guān)系,得到了Hoek-Brown準則參數(shù)m、s隨破壞圍壓變化的經(jīng)驗模型,使得含有經(jīng)驗參數(shù)模型的Hoek-Brown準則,能更好地描述高圍壓高孔隙水壓下砂巖卸荷強度特性。
　　②采用RLW-2000巖石流變試驗機,對砂巖進行了不同孔隙水壓下定軸壓卸圍壓蠕變試驗,基于試

4、驗結(jié)果,研究了應力水平和孔隙水壓對砂巖蠕變變形特性的影響。重點研究了定軸壓卸圍壓過程,不同孔隙水壓作用下砂巖卸荷蠕變過程瞬時變形、蠕變變形、瞬時變形模量、體積蠕變變形和蠕變速率的變化規(guī)律。
　?、弁ㄟ^研究高圍壓下不同孔隙水壓作用時,砂巖定軸壓卸圍壓蠕變過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間和水壓變化的非線性表達式,令Kelvin模型中彈性元件的彈性系數(shù)滿足此表達式,再將其與虎克體串聯(lián),得到一個改進的非線性廣義 Ke

5、lvin模型,分析了該模型的基本力學特性,推導了模型的本構(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。
　?、苡弥笖?shù)函數(shù)對不同孔隙水壓作用下定軸壓卸圍壓加速蠕變曲線進行擬合,得到加速蠕變段非線性經(jīng)驗蠕變方程,在將該方程與線性黏性元件蠕變方程進行對比分析,得到一個非線性黏性元件,其黏滯系數(shù)是關(guān)于時間和孔隙水壓的表達式。將該非線性黏性元件通過應力觸發(fā)方式和塑性元件并聯(lián)構(gòu)成一個非線性黏塑性模型,即改進的非線性

6、 Bingham模型,分析了模型的力學特性。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將改進的非線性廣義Kelvin模型和非線性Bingham模型進行串聯(lián),建立一個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試驗結(jié)果,采用基于 Quasi-Newton算法(BFGS)的MATLAB

7、編程實現(xiàn)對非線性黏彈塑性蠕變模型參數(shù)的辨識,辨識效果比較理想。
　?、藁诶窭嗜沼邢薏罘掷碚?推導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準則參數(shù)m、s經(jīng)驗模型的Mohr-Coulomb為屈服準則,結(jié)合FLAC3D良好的二次開發(fā)環(huán)境對非線性粘彈塑性蠕變模型進行了二次開發(fā)。對比蠕變試驗曲線與由該模型得到的數(shù)值試驗曲線,二者較為吻合,驗證了二次開發(fā)程序的正確性。
　　⑦利用非線性粘彈塑性蠕變