水对花岗岩瞬时强度及时效变形破坏影响研究

【摘要】：随着岩石工程建设迅速发展,岩石工程稳定性问题也逐渐受到大家关注,而影响岩体稳定性的一个重要因素就是蠕变。当受到较低应力时,岩石往往会出现蠕变现象,而在水环境下,更加明显。这种现象将会直接影响工程的功能和使用,比如岩石工程的时效性问题、核废料处置库围岩选取和空区顶板监测等问题。所以,急需对不同水和应力组合作用下岩石的蠕变特征进行深入研究,力求多角度揭示岩石的蠕变特征。本文将从室内实验研究和理论本构分析两个方面来进行。通过实验研究得到花岗岩的基本力学参数,并系统地研究不同水和应力组合作用下花岗岩单轴蠕变行为;通过理论分析引入一个新压缩蠕变非线性本构模型,使用花岗岩单轴蠕变试验结果进行参数分析,从而将花岗岩试验结果曲线和模型拟合出曲线进行对比,从而证明模型准确性。(1)在探讨花岗岩蠕变特性之前,根据已有花岗岩试样,设计吸水性实验,得到不同泡水时间后花岗岩吸水率曲线,并对不同含水率下的花岗岩试样进行了单轴压缩、间接拉伸的岩石瞬时力学特性试验,从而获得花岗岩的各项基本力学特性参数。结果显示,随着含水率的升高,岩石的拉压强度逐渐减少,弹性模量在吸水率升高前期出现明显降低,而后趋于稳定,峰值应变也逐渐降低,破坏形态出现明显差别。相同含水率密封放置两天后的花岗岩抗压强度降低,说明水的位置分布对花岗岩强度的影响。(2)根据研究需要,对花岗岩进行了不同水和应力组合作用下花岗岩单轴压缩蠕变试验,主要是自然、干燥、力-水、水-力及泡水后密封的花岗岩蠕变试验。通过分析花岗岩蠕变结果发现,随着加载水平增大,花岗岩破坏时间减短,第二阶段稳定蠕变应变率增大,第三阶段加速蠕变更快出现。不同加载水平下花岗岩蠕变应变率不同,通过实验数据分析得到,花岗岩第二阶段稳定蠕变应变率、第三阶段加速蠕变应变率均与加载水平呈现正相关性。同时,不同水和应力组合作用下试样蠕变结果表明,先加力后加水条件下试样更快破坏。这一结果与实际工程有所区别,以往研究过高预估了岩石在水中的长期稳定性,对以后的工程设计和施工维护提供一定的参考依据。(3)根据花岗岩第三阶段试样结果,引入一个新压缩蠕变非线性本构模型,能够反映花岗岩第三阶段加速蠕变。通过不同加载水平及含水状态下花岗岩蠕变数据得到模型参数,然后将蠕变应变-时间曲线与拟合出的曲线对比,验证模型准确性。花岗岩试样结果表明,该非线性压缩蠕变模型可以很好地拟合花岗岩蠕变初始、稳定和加速阶段,同时对红砂岩试样结果曲线拟合,从而证明模型具有较为广泛地适用性。