巖石拉、壓蠕變特性研究及其在地下大空間洞室施工控制中的應用.pdf

1、巖石的蠕變是巖石類材料重要的工程特性，是研究巖石流變力學最為重要的內(nèi)容之一。在多數(shù)情況下，巖石工程特別是大型地下洞室因開挖施工引起的圍巖變形失穩(wěn)破壞與巖石的蠕變有著密切的聯(lián)系，由巖石蠕變引起的實際工程問題已得到國內(nèi)外眾多學者的廣泛關(guān)注，并取得了很大的進展，特別是在利用實測試驗資料反演蠕變模型的參數(shù)，進而應用到工程預測等領(lǐng)域。但是巖石蠕變理論、蠕變試驗以及蠕變特性工程應用等方面至今尚未形成完整的理論體系，特別是巖石在拉、壓應力條件下的蠕變

2、特性與本構(gòu)模型仍是研究的重點和難點問題。為此，本文在研究現(xiàn)有巖石蠕變特性研究成果的基礎上，采用試驗研究、理論分析與數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，基于巖石單軸直接拉伸蠕變、單軸壓縮蠕變以及三軸壓縮蠕變試驗，運用巖石非線性理論，探討了巖石的蠕變特性，建立了巖石非線性拉、壓蠕變模型，并將巖石蠕變特性的研究成果應用到地下大空間洞室的施工控制當中。
　　 論文的主要研究工作如下：
　　 ①設計加工了巖石單軸直接拉伸試驗儀，應用該試驗儀

3、和巖石材料剛性伺服試驗機(MTS)對紅砂巖的單軸拉伸、單軸壓縮以及三軸壓縮等瞬時力學特性進行了研究，分析了巖石瞬時拉、壓變形規(guī)律，獲得了拉、壓作用下的瞬時力學參數(shù)，探討了壓縮作用下巖石屈服強度，比較了兩種不同尺寸標準試件單軸壓縮作用下的強度特性，分析了不同力學響應機制下巖石瞬時破壞的機理。
　　 ②采用自行設計加工的巖石掛重型直接拉伸蠕變儀以及實驗室?guī)r石全自動流變伺服儀，對紅砂巖進行了單軸直接拉伸、單軸壓縮以及三軸壓縮蠕變試驗，

4、研究單軸直接作用下巖石軸向應變以及側(cè)向應變隨時間變化的規(guī)律以及壓縮條件下巖石軸向變形隨時間變化的規(guī)律，探討了各力學響應機制下蠕變速率的變化趨勢。為更好的認識巖石拉、壓蠕變機理，對紅砂巖蠕變進行了短時、長時以及卸荷蠕變特性試驗分析，得到了拉伸作用下巖石的長期強度變化規(guī)律。
　　 ③基于巖石拉、壓蠕變試驗結(jié)果，比較H-K模型與Burgers蠕變模型得出Burgers蠕變模型能更好地反映荷載小于巖石長期強度(短時壓縮蠕變?yōu)榍姸?時

5、的巖石蠕變特性?；趲r石拉、壓作用下加速蠕變試驗結(jié)果，推導了可表示巖石加速蠕變特性的二元件粘塑性模型的非線性本構(gòu)，將該模型與Burgers蠕變模型串聯(lián)建立了一個新的巖石非線性粘彈塑性拉、壓蠕變模型。介紹了該非線性粘彈塑性蠕變模型在拉、壓應力狀態(tài)下的蠕變特征，并采用基于MATLAB程序的quasi-Newton算法(BFGS算法)對紅砂巖拉、壓狀態(tài)下的蠕變?nèi)^程試驗曲線進行了參數(shù)的直接辨識。
　　 ④基于拉格朗日有限差分理論，推導

6、了非線性粘彈塑性拉、壓蠕變模型的有限差分形式，以Mohr-Coulomb為屈服準則并結(jié)合FLAC3D良好的二次開發(fā)環(huán)境對構(gòu)建的非線性粘彈塑性拉、壓蠕變模型的進行了二次開發(fā)研究。通過拉、壓蠕變試驗與該模型模擬試驗對比驗證了模型二次開發(fā)的正確性，并結(jié)合工程實例現(xiàn)場監(jiān)測、Cvisc模型模擬計算、Mohr-Coulomb本構(gòu)模擬計算與該模型計算結(jié)果對比驗證了非線性粘彈塑性拉、壓蠕變模型的工程適用性。
　　 ⑤將非線性粘彈塑性拉、壓蠕變模