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深部围岩蠕变特性试验研究

作　者: 刘栋
导　师: 高文华；朱建群
学　校: 湖南科技大学
专　业: 土木工程
关键词: 深部围岩蠕变围压本构模型变形模量损伤演化参数拟合
分类号: TU452
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

岩石作为地下工程建筑中所主要面对的工程材料,其物质组成成分和所赋存的复杂地质环境使其具有显著的流变特性和明显的时效性,对地下岩体工程的稳定有着重要的理论意义和实用价值。目前,在岩石流变特性的研究方面,试验研究是不可或缺的基础性工作,其结果可以为揭示岩石不同应力水平条件下的流变属性,为建立合适的流变模型、并为进行工程岩体数值分析提供有关流变参数。但是,随着地下工程埋深的逐渐增大,深部工程围岩表现出了与浅部岩体不同的流变特性,给工程建设带来了更大的挑战。因此本文针对某矿山深部巷道围岩开展了室内蠕变试验研究工作,主要取得了如下几个方面的结论和研究成果:(1)本文首先完成了深部巷道粉砂岩的基本力学特性试验,结果表明:该类岩石节理裂隙较发育,单轴压缩破坏性态主要为沿轴向的劈裂和局部的剪切破坏。有围压的存在时,岩石破坏后残余强度较高,且主要为倾斜于轴向的剪切破坏;岩石抗压强度随围压的增大而增大,经过拟合得到了抗压强度与围压的关系公式。根据理论原理,获得了该岩石的基本力学参数。(2)针对深部巷道粉砂岩进行了多组不同围压下的岩石蠕变试验,试验结果表明:由于节理裂隙较发育,粉砂岩单轴蠕变时随着应力水平的增大,蠕变变形量及衰减稳定时间均先减小后增大,岩石蠕变特性从低应力下的应变硬化逐渐转为高应力下的应变软化。该类岩石变形模量随着时间及应力水平的增大均降低,且岩石处于稳定蠕变阶段的蠕变速率随应力水平的增大而增大。通过不同围压下蠕变特性对比分析发现,围压越大岩石蠕变非线性程度越高,围压的存在消除了蠕变过程中裂隙压密闭合的影响,使得整个蠕变过程中呈现应变软化特性,且其变形模量受应力水平的影响不再随时间的增大而减小。此外,加大围压可以减缓岩石的蠕变破坏时间,破坏前有明显的等速蠕变阶段,围压越大破坏时变形量也越大。(3)根据粉砂岩单轴蠕变试验中加卸载试验曲线特征对岩石蠕变模型中可能存在的基本元件及其组合方式进行了辨识分析,分析了常用元件模型的优缺点,提出了改进西元模型,并拟合确定了模型参数,取得了较好的效果。针对三轴条件下粉砂岩轴向蠕变显著的非线性及应变软化特性,以变形模量的变化定义了损伤,建立了蠕变损伤演化方程,并对Burgers模型进行了修正,得到了粉砂岩三轴条件下轴向蠕变损伤本构模型并确定了模型参数,通过试验曲线和拟合曲线的对比,验证了模型的正确性和可行性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-19
  1.1 选题的目的和研究意义  11-12
  1.2 岩石流变特性研究现状及发展趋势  12-16
    1.2.1 岩石流变试验研究综述  12-15
    1.2.2 岩石流变本构模型概述  15-16
  1.3 本文的主要研究内容和工作  16-19
第二章岩石流变理论  19-33
  2.1 岩石的流变现象  19-21
    2.1.1 岩石的蠕变特性  19-20
    2.1.2 流变理论概述  20-21
  2.2 流变模型理论  21-29
    2.2.1 基本元件  22-23
    2.2.2 组合模型  23-29
  2.3 非线性本构模型及其参数分析  29-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章岩石基本力学特性试验  33-51
  3.1 试验设备  33-35
  3.2 单轴压缩变形试验  35-42
    3.2.1 试验原理  35-37
    3.2.2 岩样制备  37-39
    3.2.3 试验过程及步骤  39-40
    3.2.4 试验结果分析  40-42
  3.3 三轴压缩变形试验  42-50
    3.3.1 试验目的及原理  43-44
    3.3.2 试验结果及分析  44-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章深部围岩蠕变特性试验  51-91
  4.1 试验设备  51-53
  4.2 岩样制备  53
  4.3 试验方案  53-56
    4.3.1 加载方式  53-54
    4.3.2 试验步骤  54-55
    4.3.3 应力加载方案  55-56
  4.4 单轴蠕变试验结果及分析  56-71
    4.4.1 蠕变试验曲线及数据分析  56-65
    4.4.2 粘弹塑应变特性分析  65-70
    4.4.3 分级增量循环加卸载应变率分析  70-71
  4.5 三轴蠕变试验结果分析  71-88
    4.5.1 轴向蠕变变形分析  72-77
    4.5.2 粘弹塑应变特性分析  77-80
    4.5.3 围压对岩石蠕变的影响分析  80-88
  4.6 本章小结  88-91
第五章蠕变本构模型建立及参数辨识  91-111
  5.1 岩石单轴压缩下蠕变模型建立  91-102
    5.1.1 蠕变本构模型的辨识及建立  91-98
    5.1.2 蠕变模型参数的确定  98-102
      5.1.2.1 参数拟合原理  98-100
      5.1.2.2 模型参数的确定  100-102
  5.2 岩石三轴压缩蠕变模型建立及参数辨识  102-110
    5.2.1 三轴条件下轴向蠕变本构模型的建立  102-107
      5.2.1.1 岩石蠕变损伤演化方程  102-105
      5.2.1.2 岩石蠕变损伤本构模型  105-107
    5.2.2 模型参数的确定  107-110
  5.3 本章小结  110-111
第六章结论与展望  111-115
  6.1 本文研究工作总结  111-113
  6.2 展望  113-115
参考文献  115-119
致谢  119-120
附录A 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的主要科研项目  120

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