坝基软弱岩体的非线性蠕变损伤本构模型及其工程应用

摘要

随着国家西部大开发“西电东送”战略的逐步实施以及国家电力能源结构的调整，我国西部涌现出一大批在建或待建的高拱坝。这些高拱坝坝基的工程地质条件复杂，不同程度存在不连续软弱夹层、蚀变带、层间层内挤压错动带等软弱岩带。在开挖卸荷、高渗透荷载、温度荷载和地震荷载的长期作用下，高拱坝坝基岩体上述薄弱部位将可能产生不同程度流变变形，影响大坝施工安全和运行的长期稳定。因此开展坝基软弱岩体的蠕变损伤力学特性与工程稳定性研究具有重要意义。 本文根据坝基软弱岩带的中心孔变形试验与现场压缩蠕变试验结果，通过理论分析和数值计算研究了工程岩体的蠕变损伤变形特性。 论文主要研究工作集中在以下几个方面： 1.考虑到岩体流变力学参数的损伤劣化效应，建立了一个变参数的反映坝基软弱岩体蠕变特性的蠕变损伤本构模型，认为岩体流变参数随时间而逐渐弱化，将岩体流变力学参数看作是非定常的，直观地反映了材料特性的劣化过程。 2.推导了蠕变损伤本构方程三维情况下的差分形式，并通过C++与FISH编程对有限差分软件FLAC3D如进行了二次开发，实现模型的程序化。 3.以单轴压缩的算例分析了模型的蠕变损伤特性，并分析了损伤变量和损伤参数对蠕变曲线的影响。 4.以此模型为基础，用数值反演法得到了大岗山坝区辉绿岩脉的蠕变损伤力学参数。 5.根据反演的蠕变参数，开展了大岗山水电站坝区边坡开挖三维蠕变损伤稳定性计算，分析了边坡的位移变化、应力规律、塑性区和损伤区的分布，获得了对坝区边坡开挖设计和施工具有重要指导意义的建议和结论。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1选题目的和研究意义

1.2岩石流变本构模型的研究现状

1.2.1元件组合模型

1.2.2经验模型

1.2.3基于内时理论的岩体流变模型

1.2.4损伤断裂与流变耦合模型

1.2.5流变模型与参数辨识

1.3本文主要研究内容和技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2技术路线

1.3.3论文主要创新点

第二章非线性蠕变损伤本构模型的建立

2.1考虑损伤效应的影响

2.1.1流变参数的损伤演化

2.1.2损伤判别条件

2.2改进Burgers蠕变损伤模型

2.2.1模型的建立

2.2.2模型的特点

2.2.3改进Burgers蠕变损伤模型的退化形式

2.3本构模型的差分形式

2.4本章小节

第三章模型的程序实现及验证

3.1 FLAC3D基本介绍及开发环境

3.1.1 FLAC3D基本介绍

3.1.2 FLAC3D的计算原理

3.1.3 FLAC3D的开发环境

3.1.4 ANSYS-FLAC3D的前处理数据转换

3.2二次开发的程序流程图

3.3代码编写中的关键技术

3.4模型力学性质的分析

3.4.1黏弹性力学性质

3.4.2塑性力学性质

3.4.3损伤力学性质

3.5损伤参数对流变曲线的影响

3.5.1长期模量的影响

3.5.2损伤系数的影响

3.5.3损伤变量随时间的变化

3.5.4不同损伤变量引起位移值的大小

3.6本章小节

第四章蠕变损伤参数的数值反演

4.1压缩蠕变试验

4.1.1试验选点

4.1.2试验设备与安装

4.1.3加卸载荷载分级与稳压时间

4.1.4变形-时间曲线

4.2试验点岩体压缩蠕变力学模型的辨识

4.3压缩蠕变参数的数值反演方法

4.4数值反演计算范围、力学模型和计算参数的选取

4.5模型验证及蠕变参数的反演结果

4.6本章小节

第五章工程应用

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步骤

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坝区初始地应力场三维回归数值计算方法

5.3.3坝区初始地应力场三维回归数值计算结果分析

5.4坝区边坡开挖流变损伤数值计算分析

5.4.1位移分析

5.4.2应力变化规律

5.4.3塑性区的分布

5.4.4损伤区的分布

5.4.5计算结论

5.5本章小节

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

硕士在读期间发表的论文

致谢