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《中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)》 2008年
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高应力下花岗岩力学特性试验及本构模型研究

胡云华  
【摘要】: 由于西部的特殊地质构造,西部在建或将建的大型水利水电工程的隧洞都具有大埋深、超高地应力的特点,硐室围岩体的力学响应明显有别于浅部岩体。本文针对高地应力条件下深埋隧洞岩体的非线性力学特性与显著的流变性进行了探讨。论文以实验研究为基础,采用理论分析和数值计算相结合的方法,系统地研究了硬岩在高地应力条件下的瞬时变形和强度特征以及岩石的长期流变特性,根据实验结果分别建立了能反映硬岩非线性变形与流变特征的本构模型。最终以重大水利水电岩体工程——大渡河流域大岗山电站为背景,采用有限元方法,应用本文的的试验与理论研究成果对其进行了计算分析。概括来讲,本论文的主要研究内容如下: (1)从工程现场取典型硬岩花岗岩,加工成标准试件(φ50mm×100mm)。采用MTS815.03型压力试验机进行了单、三轴压缩试验以及卸围压试验。分析了岩样的变形特点、强度特征和破坏规律以及试件的抗压强度、变形模量及泊松比随围压的变化规律,得到了花岗岩的基本力学参数,为进行岩石蠕变试验和数值计算提供了依据。 (2)针对现有的硬岩弹-脆-塑性本构模型不能反映岩石峰前非线性变形的问题,对岩石受力过程中其内部微裂纹的不同活动状态对宏观力学参数(变形参数和强度参数)的影响进行了详尽分析,得到了峰前变形参数随应力水平的变化规律以及峰后强度参数随等效塑性应变的变化规律。并以此为基础,建立了反映高地应力下硬岩峰前非线性变形及峰后应变软化特性的非线性弹-脆-塑性本构模型。 (3)采用CYL系列岩石流变仪对花岗岩进行了不同围压下的三轴压缩蠕变试验,研究了不同应力水平对花岗岩蠕变形能的影响。此外,还进行了岩样的卸围压蠕变试验,分析了卸围压蠕变试验过程中岩样的轴向应变、侧向应变以及体积应变的变化规律,为研究和建立岩石的流变本构模型提供了依据。 (4)基于三轴压缩蠕变试验结果,提出了一个新的非线性粘性元件,该元件将传统的理想粘性元件分解为线性与非线性两个部分,并将其与塑性元件并联起来用以描述花岗岩在高应力水平下的稳态蠕变及加速蠕变特性。将之与反映岩石衰减蠕变特征的五元件广义Kelvin模型串联起来所得到的非线性弹-粘塑性本构模型能反映岩石蠕变的三个阶段。采用带阻尼的最小二乘法根据流变试验曲线对模型进行了参数识别。 (5)结合大型有限元分析软件ABAQUS的接口子程序,分析了上述非线性弹-粘塑性模型的有限元实现过程并进行了相应的二次开发以将该模型嵌入到ABAQUS中。将岩石流变力学的试验和理论研究成果应用于实际岩体工程——大岗山电站中,对硐室围岩的变形和长期稳定性进行了预测分析。
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