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《山东大学》 2016年
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硬脆性岩体卸荷非线性流变模型及工程应用

张龙云  
【摘要】:大型水电工程项目的服役期限较长,坝址岩体强度较高,一般都处于三维高应力状态,高坝边坡岩体工程在开挖卸荷后会产生明显的瞬时变形及时效变形。岩体的卸荷流变破坏现象,已引起国内外学者的关注,但对硬脆性岩体的卸荷流变力学特性及破坏机制尚缺乏深入的分析研究。基于此,本文在前人研究的基础上,利用室内试验、理论分析以及数值建模等手段,系统研究了硬脆性岩体的卸荷流变力学特性,根据试验结果建立了能够描述硬脆性岩石材料变形破坏时效演化规律的卸荷流变本构模型,以大岗山水电站高坝边坡工程为背景,应用本文的试验与理论研究成果,通过大型有限元软件ANSYS对其进行数值计算分析。主要研究内容和成果如下:(1)采用全自动岩石三轴流变伺服仪,开展了孟底沟水电站花岗岩和大岗山水电站辉绿岩的常规三轴试验和三轴卸荷流变试验。研究了硬脆性岩石基本力学特性和卸荷流变力学特性,重点研究了硬脆性岩石卸荷流变变形规律、卸荷流变速率变化规律、卸荷流变强度变化规律及卸荷流变破坏方式。(2)采用SU 70热场发射扫描电镜,开展了破坏断面的SEM试验。研究了硬脆性岩石的破坏机制,分析了硬脆性岩石的细观结构变化与宏观强度及宏观破坏形式的关系。(3)用“稳态蠕变速率交点法”对硬脆性岩体卸荷长期强度进行分析,得到了硬脆性岩体卸荷长期强度临界值,能够较好地反映硬脆性岩石的卸荷流变长期强度规律。(4)基于分数阶微积分理论,建立了硬脆性岩石卸荷非线性流变模型,推导了模型的一维本构方程及三维表达式,该模型能够较好地描述硬脆性岩体卸荷稳态蠕变阶段平稳变形、加速蠕变阶段“扩容现象更为显著”及“脆性破坏特征更为明显”的试验特征。(5)结合ANSYS的二次开发平台,对硬脆性岩石卸荷非线性流变模型进行了二次开发,编制了硬脆性岩石卸荷流变模型的数值应用程序,对比模型计算得到的数值曲线与蠕变试验曲线,二者吻合较好,验证了二次开发程序的正确性。(6)利用硬脆性岩石卸荷非线性流变模型的二次开发程序,对大岗山水电站高边坡工程进行了边坡开挖卸荷长期稳定性的三维数值分析。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TU45

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