深部圍巖蠕變特性試驗(yàn)研究及其數(shù)值模擬.pdf

1、流變性是巖石重要的力學(xué)特性之一，研究流變力學(xué)特性的最重要手段就是開展巖石流變力學(xué)試驗(yàn)。隨著近年來大型地下洞室、開挖巷道逐步向深部發(fā)展，修建過程中的安全性以及運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性等巖石工程問題逐漸凸顯出來，而項(xiàng)目的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題與巖石的流變力學(xué)特性密切相關(guān)，同時(shí)一大批大型巖石工程項(xiàng)目的建設(shè)更是給巖石流變力學(xué)的研究帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此開展巖體（特別是深部軟弱圍巖）在單向、三向應(yīng)力條件下的流變力學(xué)特性研究具有重大的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。本文以國(guó)家自

2、然科學(xué)基金項(xiàng)目（50874043）：深部圍巖蠕變損傷特性及其應(yīng)用研究為依托，以湖南邵東縣牛馬司水井頭煤礦為工程背景，采用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，基于單軸、三軸壓縮變形試驗(yàn)和蠕變特性試驗(yàn)來探討巖石的瞬時(shí)力學(xué)強(qiáng)度、變形特性和流變力學(xué)特性，主要研究粉砂巖在不同應(yīng)力水平和狀態(tài)下的流變力學(xué)特性，建立與之適用的單軸、三軸流變本構(gòu)模型，在VC++的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自定義本構(gòu)模型的程序研制，并在FLAC3D軟件中實(shí)現(xiàn)自定義模型的調(diào)用，進(jìn)行與室內(nèi)蠕

3、變特性試驗(yàn)同條件的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)值模擬研究，并對(duì)不同參數(shù)對(duì)蠕變特性的影響進(jìn)行敏感性分析。
　　本文的主要研究工作如下：
　　（1）基于RMT-150C伺服試驗(yàn)機(jī)得到的粉砂巖單軸、三軸壓縮瞬時(shí)力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果，求取了巖石的各項(xiàng)基本力學(xué)和變形參數(shù)，并從應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征、強(qiáng)度及變形指標(biāo)、破壞形態(tài)角度，分析了單軸、不同圍壓的三軸條件下粉砂巖的瞬時(shí)力學(xué)特性及變化規(guī)律，探討了不同應(yīng)力狀態(tài)下粉砂巖壓縮瞬時(shí)破壞機(jī)理。
　?。?）基于RY

4、L-600巖石三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)對(duì)粉砂巖進(jìn)行單軸、三軸流變特性試驗(yàn)，研究了巖石在不同應(yīng)力水平和圍壓下軸向應(yīng)變隨時(shí)間變化的規(guī)律，分析了等時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行粘彈塑性分離，進(jìn)一步探討了巖石流變的粘彈塑性特征，探討了不同應(yīng)力水平下軸向蠕變應(yīng)變穩(wěn)定蠕變速率的變化規(guī)律，分析了巖石在蠕變破壞荷載下軸向應(yīng)變、軸向流變速率的變化規(guī)律，并對(duì)比分析了軸向、側(cè)向蠕變的變化規(guī)律，由此掌握了粉砂巖單軸、三軸流變特性的規(guī)律，同時(shí)為流變數(shù)值分析時(shí)參數(shù)

5、的辨識(shí)提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù)。
　?。?）基于粉砂巖單軸流變?cè)囼?yàn)研究結(jié)果，通過對(duì)理想塑性體進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步將其與廣義開爾文體串聯(lián)，得到了一個(gè)新的能全面反映巖石瞬彈、瞬塑、粘彈、粘塑的六元件粘彈塑性流變模型（mcvisc模型）；基于粉砂巖三軸流變?cè)囼?yàn)研究結(jié)果，在西原模型的基礎(chǔ)上，通過串聯(lián)一個(gè)開爾文體，得到了一個(gè)能全面反映巖石瞬彈、粘彈、粘塑的七元件粘彈塑性流變模型（mcvisc2模型）；基于單軸、三軸流變?cè)囼?yàn)曲線，利用數(shù)學(xué)軟件Orig

6、in8.0強(qiáng)大的非線性擬合功能自定義擬合函數(shù)，對(duì)建立的單軸、三軸流變本構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)的辨識(shí)。
　　（4）基于已建立的單軸、三軸流變本構(gòu)模型，將其三維形式的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)一步推導(dǎo)為有限差分形式，在VC++的環(huán)境下以FLAC3D內(nèi)嵌的cvisc模型為藍(lán)本分別對(duì)單軸、三軸流變模型實(shí)現(xiàn)了自定義本構(gòu)模型的程序研制，并分別編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件mcvisc.dll和mcvisc2.dll。利用FLAC3D內(nèi)嵌的本構(gòu)模型對(duì)模型的退化形式進(jìn)行驗(yàn)證，以此

7、證明模型開發(fā)的正確性和適應(yīng)性。基于此對(duì)程序的開發(fā)流程和程序研制中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。
　?。?）在FLAC3D軟件中分別調(diào)用自行研制的本構(gòu)模型（mcvisc模型和mcvisc2模型），分別開展與室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)同條件的單軸、三軸數(shù)值流變?cè)囼?yàn)?zāi)M研究，通過對(duì)比數(shù)值結(jié)果與流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了自定義模型的正確性和適應(yīng)性?；跀?shù)值試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步探討軸向、側(cè)向流變變化規(guī)律并對(duì)比分析其對(duì)流變變化的敏感性差異，同時(shí)對(duì)試件側(cè)向不同位置的流變變