高坝坝区硬脆性裂隙岩体的流变强度时效模型及工程应用研究

摘要

随着我国经济建设的快速发展及水利水电资源不断的开发利用，岩石工程项目不仅越来越多，工程开挖规模也越来越大，由此引出的围岩稳定性问题日益突显。岩体工程稳定性评价的关键在于需要深入了解工程岩体的流变力学特性及其相应的岩体力学参数取值方法，并在理论上深入地对工程岩体长期运行稳定性进行分析，其中的关键就是需要分析得出材料力学参数随应力和时间不断弱化的时效演化模型，特别是建立考虑时间效应的流变强度时效模型。本文以大岗山水电站坝区的硬脆性辉绿岩为研究对象，基于对硬脆性辉绿岩在不同应力状态下的室内三轴流变试验结果，确定出了硬脆性岩体的力学参数随时间和应力水平的变化规律，继而建立了硬脆性岩体的流变时效强度模型，并将其应用到了实际工程的数值分析中。本文的研究工作主要是以下几个方面:
　　 (1)采用全自动岩石三轴流变伺服仪开展了大岗山水电站坝区硬脆性辉绿岩的室内三轴流变力学特性试验，分别从轴向、侧向和体积变形等三个方面分析了不同围压、不同应力水平下硬脆性岩石变形随时间的变化规律，研究了硬脆性辉绿岩在三轴流变过程中的变形特性，探讨了岩石的等时应力～应变曲线特征、变形速率特征、蠕变对变形和强度的影响，分析了岩石的蠕变损伤阀值，并从细观和宏观力学两个方面解释了硬脆性辉绿岩的蠕变过程曲线，初步掌握了硬脆性辉绿岩流变特性的基本规律，明确了硬脆性岩石的流变破裂机理。
　　 (2)依据中水顾成都勘测设计研究院在坝区现场做的大型直剪试验和大型剪切蠕变试验的资料，研究了考虑加载历史影响的剪切蠕变变形规律和剪切蠕变速率特性，通过模型辨识和参数反演得到了硬脆性辉绿岩体的剪切蠕变参数。分别采用等时应力～应变曲线法、非稳定蠕变判别法和稳态蠕变速率法计算获得了坝区硬脆性辉绿岩体的长期剪切流变强度，并将各结果进行了对比分析，最终确定出了硬脆性辉绿岩体的长期剪切流变强度。将岩体的长期抗剪指标与瞬时抗剪指标进行了对比，得到了岩体在长期恒定荷载作用下强度参数的衰减百分率。
　　 (3)通过分析硬脆性辉绿岩蠕变过程中力学参数的弱化规律，建立了岩体弹性模量E、粘聚力C、内摩擦角(φ)与应力及时间的时效演化模型，从定量的角度描述了硬脆性辉绿岩在蠕变过程中的损伤演化过程，并基于蠕变破坏时岩体的强度变化验证了时效演化模型的合理性与正确性。
　　 (4)基于硬脆性辉绿岩单轴、三轴压缩试验的结果，从变形、强度、能量及破坏等不同角度对硬脆性辉绿岩在不同应力状态下的变形特征、强度特征及能量耗散特征等进行了较为系统的分析，获得了硬脆性辉绿岩的基本力学特性和变形破坏规律。利用裂纹应变模型，明确了岩体内部裂纹发展演化的规律以及强度破坏机理。
　　 (5)将硬脆性岩体力学参数的时效演化模型引入到八面体应变能强度模型中，建立硬脆性岩体的流变强度时效模型，并通过三轴试验结果验证了该流变时效强度模型的正确性。
　　 (6)通过C++与Fish编程对有限差分软件Flac3D进行二次开发，实现力学参数时效演化模型的程序化和强度准则的非线性化，并将其应用于大岗山水电站坝区边坡的长期稳定性分析中，系统地对位移矢量场、应力矢量场以及塑性屈服区等进行综合分析，总结了围岩体力学响应的时空演化规律和特征，对坝区岩体的施工开挖和长期运行稳定性提出合理的工程建议。这些问题的研究为下一步渗流对岩石强度的影响的研究提供了基础信息和理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩石流变力学试验的研究现状

1．2．2 岩体强度参数确定方法的研究现状

1．2．3 岩体长期流变强度确定方法的研究现状

1．2．4 流变强度模型的研究现状

1．3 本文主要研究内容、创新点和技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

1．3．3 技术路线

第二章 硬脆性辉绿岩三轴流变力学试验与现场剪切蠕变试验研究

2．1 引言

2．2 室内试验的试件制备

2．2．1 岩样采集

2．2．2 试件加工

2．2．3 试验设备

2．3 硬脆性辉绿岩三轴瞬时力学特性试验研究

2．3．1 试验目的

2．3．2 试验结果

2．4 硬脆性辉绿岩单轴压缩流变试验研究

2．4．1 试验方法

2．4．2 流变变形特性研究

2．5 硬脆性辉绿岩三轴压缩流变试验研究

2．5．1 试验方法

2．5．2 三轴流变变形特性分析

2．6 硬脆性辉绿岩现场剪切蠕变试验研究

2．6．1 快剪试验及其结果

2．6．2 现场剪切蠕变试验概况

2．6．3 现场剪切蠕变试验结果分析

2．6．4 长期剪切流变强度的确定

2．6．5 长期流变抗剪强度指标与瞬时抗剪强度指标的比较

2．7 硬脆性辉绿岩的剪切蠕变经验方程

2．7．1 剪切蠕变经验方程的型式

2．7．2 剪切蠕变经验方程的回归分析

2．8 硬脆性辉绿岩剪切蠕变参数反演

2．8．1 剪切蠕变力学参数反演方法

2．8．2 剪切蠕变力学参数反演结果

2．9 硬脆性辉绿岩剪切蠕变参数的数值反演

2．9．1 数值反演计算步骤

2．9．2 参数取值及计算网格

2．9．3 反演结果

2．10 本章小结

第三章 硬脆性裂隙岩体力学参数的时效演化模型及分析

3．1 引言

3．2 硬脆性辉绿岩流变过程的力学机理分析

3．2．1 轴向全应力～应变曲线分析

3．2．2 宏观力学机理分析

3．2．3 细观力学机理分析

3．3 硬脆性岩体力学参数的时效演化模型

3．3．1 力学参数的计算方法

3．3．2 力学参数的时效演化模型

3．4 本章小结

第四章 硬脆性裂隙岩体流变强度的时效演化模型

4．1 引言

4．2 硬脆性辉绿岩变形破坏特性规律分析

4．2．1 变形特征

4．2．2 强度特征

4．2．3 能量特征

4．2．4 破坏特征

4．3 硬脆性辉绿岩强度与变形破坏机理分析

4．4 硬脆性辉绿岩流变破裂机理分析

4．5 硬脆性辉绿岩强度与破坏行为的影响因素

4．5．1 最小主应力效应

4．5．2 中间主应力效应

4．5．3 双轴拉压效应

4．5．4 拉压强度差效应

4．5．5 应力洛德角效应

4．6 硬脆性岩体流变强度时效演化模型

4．6．1 模型的建立

4．6．2 模型中参数的确定

4．6．3 模型的试验验证

4．7 本章小结

第五章 工程应用研究

5．1 工程概述

5．1．1 工程基本概况

5．1．2 坝区基本地质条件

5．2 三维数值计算网格模型及力学参数

5．2．1 三维数值计算范围与网格模型

5．2．2 岩体力学模型与物理力学参数

5．2．3 坝肩坝基边坡开挖与支护模拟

5．3 大岗山坝区初始地应力场

5．3．1 坝区初始地应力测点分布

5．3．2 坝区初始地应力场回归与拟合分析

5．4 考虑力学参数时效演化影响的数值计算分析

5．4．1 位移规律

5．4．2 应力变化规律

5．4．3 塑性区分布规律

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

在读期间参与的科研项目

在读期间发表的论文、申请的专利

致谢

学位论文评阅及答辩情况表