岩石流变力学特性的研究及其工程应用

【摘要】：岩石流变力学试验不仅是了解岩石流变力学特性的最重要手段,而且是构建岩石流变本构模型的重要基础。水利水电工程高坝坝基大多建于硬岩岩基上,高坝的建设往往伴随着岩石高陡边坡和大型地下洞室群的岩石工程问题,为了预测岩石工程的长期稳定性,有必要开展硬岩的流变力学特性研究尤其是三轴流变试验研究。岩石流变力学理论作为岩石力学中的前沿课题,近年来,研究工作进展较快,特别是利用实测试验资料反演流变模型参数、进而发展到对未知模型的辨识等。但岩石流变力学理论至今还不很成熟,许多重大岩石工程的建设为岩石流变力学理论研究带来了严峻的挑战,当前岩石流变力学特性和本构模型理论的研究仍是其难点和热点问题。有鉴于此,本文采用试验研究、理论分析和数值模拟相综合的研究方法,基于岩石的三轴流变试验,运用非线性力学与损伤力学理论探讨岩石流变力学特性,主要研究硬岩在不同围压作用下的流变力学特性,建立岩石非线性流变本构模型,并将岩石流变力学特性的研究成果应用到重大水利水电岩石工程实践中。 本文的主要研究工作如下: (1)基于在伺服试验机上得到的不同尺寸岩石单轴压缩瞬时力学特性试验结果,分析了岩石材料力学参数与尺寸之间的关系,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏以及弹性模量与尺寸之间的非线性关系,建立了考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型。采用伺服试验机对岩石进行了三轴压缩试验,从强度、变形以及能量角度,研究了围压对岩石三轴压缩瞬时力学特性的影响规律,分析了岩石三轴压缩瞬时破坏机理。 (2)采用岩石全自动三轴流变伺服仪,对坚硬大理岩与绿片岩进行了三轴流变试验,研究了岩石在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间变化规律,探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势,分析了岩石三轴流变过程中的变形特性,讨论了岩石体积流变及流变速率规律,掌握了坚硬大理岩与绿片岩三轴流变特性的基本规律,为流变数值分析时参数的辨识提供了可靠试验依据。为了从机理和本质上对岩石流变力学特性有更清楚地认识,通过对瞬时加载和长期荷载作用下岩石破坏断口进行电镜扫描试验分析,考察岩石细观组构变化对三轴流变力学特性的影响,从岩石微细观角度来解释宏观流变力学特性,明确了复杂应力状态下岩石流变破裂机制。 (3)基于岩石三轴流变试验研究结果,提出了一个新的非线性粘性元件,并