岩石率敏性三轴试验及弹粘塑性软化型本构模型表征

摘要

随着国家交通规划网从东部迅速向西南部、中西部延伸，将有大量的隧道无可避免修建在一些山岭重丘区。这些隧道工程所开挖的岩石类材料物理力学性质复杂，在受到外部荷载作用下所产生的破坏与变形往往呈现出与时间相关的流变特性。在以往的研究中，对岩石材料大多采用理想弹塑性模型进行数值模拟，并不能很好地描述岩石的时效特性。本文以杭长高速公路北延段的葡萄岭隧道为工程背景，以葡萄岭砂岩的率敏性三轴试验为基础，为建立一种考虑岩石软化时效变形特征的弹粘塑性本构模型展开研究。基于此，论文的主要内容包括以下几个方面：
　　（1）开展葡萄岭砂岩的基本物理试验及三轴率敏性试验，得到不同围压及不同加载速率下的砂岩的应力-应变全过程曲线，归纳总结了岩石在不同围压和加载速率下的变形特征及规律，反映了砂岩力学行为具有显著的率敏性，为获得饱和状态下砂岩的弹粘塑性本构模型参数提供了试验基础。
　　（2）考虑葡萄岭砂岩的时效变形特征，在借鉴超固结土的下负荷面模型基础上，按照相对过应力思路，以针对岩石调整参数的下负荷面为参考屈服面，并引进两个与材料时间相依性质相关的参数，采用以当前应力、粘塑性应变以及粘塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数，并给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法，且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中，对岩石率敏性三轴试验进行模拟验证。
　　（3）利用大型有限元软件ABAQUS建立葡萄岭隧道左线ZK125+65～ZK125+110区段的三维隧道模型，对隧道开挖过程采用理想弹塑性模型与软化型弹粘塑性模型进行了数值模拟比较，验证了新建立的软化型弹粘塑性模型对隧洞开挖速度的增加更为敏感，也更能反映出岩石受力过程中的率相关性。
　　（4）采用弹粘塑性模型对葡萄岭隧道实际开挖情况进行数值模拟，对隧道围岩的位移场、应力场和塑性应变区的变化情况进行了探讨，有效的预测了隧道开挖过程中力学行为，为保证施工期间的安全性提供指导，同时验证了本构模型的正确性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引 言

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的研究问题

1.4 主要研究内容

1.5 技术路线

第2章 岩样的基本物理实验

2.1 引 言

2.2 工程背景

2.3 岩样的采集

2.4 仪器设备

2.5 岩样的基本物理试验

2.6 本章小结

第3章 岩石率敏性三轴试验

3.1 引 言

3.2 岩石三轴试验方案

3.3 三轴试验结果及分析

3.4 本章小结

第4章 岩石弹粘塑性本构模型及验证

4.1 引 言

4.2 岩石弹粘塑性本构模型

4.3 石英砂岩率敏性试验模拟验证

4.4 泥质砂岩率敏性试验模拟验证

4.5 三峡库区砂岩率敏性试验模拟验证

4.6 本章小结

第5章 偏压隧道三维有限元数值模拟对比分析

5.1 引 言

5.2 偏压隧道三维有限元数值模拟

5.3 数值模拟结果及分析

5.4 葡萄岭隧道受力变形影响因素数值分析

5.5 本章小结

总结与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历及在学期间的研究成果