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类岩石材料蠕变本构试验研究及基于FLAC~(3D)实现

陈云娟  
【摘要】:岩体工程的变形破坏往往要经历一个持续的发展过程,研究岩体的蠕变特性对围岩稳定性控制具有重要意义。由于自然状态下的岩体均一性较差且取样困难,而采用类岩石材料代替原岩试件进行室内实验研究是比较合理的解决途径。本文采用理论分析、相似模拟试验、蠕变试验和数值模拟相结合的综合研究方法,对类岩石材料的蠕变本构进行了研究。 以山东新汶矿区-1100m水平粉砂岩为试件原型,相似比尺为20:1。通过颗粒压缩量分析,研制相似模拟模具。选择合适的类岩石材料,进行大量反复的配比试验,确定最佳配比并配制标准试件。对试件进行单轴抗压强度测试,进而确定蠕变试验的初级荷载。分析表明:五组试件中,当松香酒精溶液摩尔浓度为30%时,类岩石试件的强度最大,平均极限荷载为5.20KN,平均单轴抗压强度为2.65MPa。本文将蠕变试验的初级荷载定为极限荷载的21%,即1.07KN。 使用RLJW-2000流变试验机对类岩石试件进行恒温恒湿条件下的室内长时蠕变试验。试验结果表明:施加荷载越大,类岩石试件的蠕变变形越明显,试件的平均破坏应力阀值为瞬时强度的92%;荷载低于破坏应力阀值时,试件蠕变曲线只出现初期蠕变和稳态蠕变两个阶段,荷载超过破坏应力阀值时,试件加速破坏阶段较为明显,具有完整的蠕变三阶段。根据蠕变曲线,自定义非线性CYJ模型,该模型在一定条件下可以蜕变为线性Burgers模型。 分析FLAC3D二次开发的基本原理、步骤及关键技术。将CYJ模型本构方程由一维推导至三维差分形式,并嵌套到FLAC3D中,完成软件的二次开发。应用CYJ模型对类岩石试件的蠕变性进行FLAC3D数值模拟,结果表明:数值模拟与试验结果大致吻合,CYJ模型能够较好的描述岩体的蠕变三阶段。


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