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深部围岩蠕变特性试验研究及其数值模拟

刘正

  流变性是岩石重要的力学特性之一,研究流变力学特性的最重要手段就是开展岩石流变力学试验。随着近年来大型地下洞室、开挖巷道逐步向深部发展,修建过程中的安全性以及运营期的稳定性等岩石工程问题逐渐凸显出来,而项目的长期稳定性问题与岩石的流变力学特性密切相关,同时一大批大型岩石工程项目的建设更是给岩石流变力学的研究带来了严峻的挑战,因此开展岩体(特别是深部软弱围岩)在单向、三向应力条件下的流变力学特性研究具有重大的理论价值和实践意义。本文以国家自然科学基金项目(50874043):深部围岩蠕变损伤特性及其应用研究为依托,以湖南邵东县牛马司水井头煤矿为工程背景,采用试验研究、数值模拟相结合的研究方法,基于单轴、三轴压缩变形试验和蠕变特性试验来探讨岩石的瞬时力学强度、变形特性和流变力学特性,主要研究粉砂岩在不同应力水平和状态下的流变力学特性,建立与之适用的单轴、三轴流变本构模型,在VC++的环境下实现自定义本构模型的程序研制,并在FLAC3D软件中实现自定义模型的调用,进行与室内蠕变特性试验同条件的蠕变试验数值模拟研究,并对不同参数对蠕变特性的影响进行敏感性分析。 本文的主要研究工作如下: (1)基于RMT-150C伺服试验机得到的粉砂岩单轴、三轴压缩瞬时力学特性试验结果,求取了岩石的各项基本力学和变形参数,并从应力应变曲线的特征、强度及变形指标、破坏形态角度,分析了单轴、不同围压的三轴条件下粉砂岩的瞬时力学特性及变化规律,探讨了不同应力状态下粉砂岩压缩瞬时破坏机理。 (2)基于RYL-600岩石三轴流变试验机对粉砂岩进行单轴、三轴流变特性试验,研究了岩石在不同应力水平和围压下轴向应变随时间变化的规律,分析了等时应力应变曲线的特征。通过对试验数据进行粘弹塑性分离,进一步探讨了岩石流变的粘弹塑性特征,探讨了不同应力水平下轴向蠕变应变稳定蠕变速率的变化规律,分析了岩石在蠕变破坏荷载下轴向应变、轴向流变速率的变化规律,并对比分析了轴向、侧向蠕变的变化规律,由此掌握了粉砂岩单轴、三轴流变特性的规律,同时为流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。 (3)基于粉砂岩单轴流变试验研究结果,通过对理想塑性体进行改进,进一步将其与广义开尔文体串联,得到了一个新的能全面反映岩石瞬弹、瞬塑、粘弹、粘塑的六元件粘弹塑性流变模型(mcvisc模型);基于粉砂岩三轴流变试验研究结果,在西原模型的基础上,通过串联一个开尔文体,得到了一个能全面反映岩石瞬弹、粘弹、粘塑的七元件粘弹塑性流变模型(mcvisc2模型);基于单轴、三轴流变试验曲线,利用数学软件Origin8.0强大的非线性拟合功能自定义拟合函数,对建立的单轴、三轴流变本构模型进行参数的辨识。 (4)基于已建立的单轴、三轴流变本构模型,将其三维形式的本构关系进一步推导为有限差分形式,在VC++的环境下以FLAC~(3D)内嵌的cvisc模型为蓝本分别对单轴、三轴流变模型实现了自定义本构模型的程序研制,并分别编译成动态链接库文件mcvisc.dll和mcvisc2.dll。利用FLAC~(3D)内嵌的本构模型对模型的退化形式进行验证,以此证明模型开发的正确性和适应性。基于此对程序的开发流程和程序研制中的关键问题进行了简要的介绍。 (5)在FLAC~(3D)软件中分别调用自行研制的本构模型(mcvisc模型和mcvisc2模型),分别开展与室内流变试验同条件的单轴、三轴数值流变试验模拟研究,通过对比数值结果与流变试验结果,验证了自定义模型的正确性和适应性。基于数值试验结果进一步探讨轴向、侧向流变变化规律并对比分析其对流变变化的敏感性差异,同时对试件侧向不同位置的流变变化规律进行对比分析。 (6)分别对不同试件形状、尺寸和围压的数值模型进行与室内蠕变试验同条件的数值模拟研究,探讨了参数变化对蠕变特性的敏感程度,为此类室内流变试验和数值试验参数变化对流变特性的影响提供了合理的评价和建议。……   
[关键词]:深部围岩;蠕变;本构模型;参数辨识;二次开发;数值模拟
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:湖南科技大学2012年
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