干燥和飽水狀態(tài)下炭質(zhì)板巖流變力學(xué)特性與模型研究.pdf

1、開展不同含水狀態(tài)下巖石流變力學(xué)特性與模型研究,對于正確預(yù)測和有效控制巖石工程的安全與穩(wěn)定具有重要的理論價值和工程實踐意義。本文以蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖為研究對象,采用試驗研究、理論分析相結(jié)合的方法,基于炭質(zhì)板巖在干燥和飽水狀態(tài)下的力學(xué)特性以及蠕變規(guī)律,建立適用于炭質(zhì)板巖的非線性流變理論模型,結(jié)合粒子群算法(PSO)和非線性最小二乘法對流變參數(shù)進行辨識,并將建立的流變模型嵌入FLAC3D,完成數(shù)值程序的二次開發(fā)。本文主要研究工作如下:

2、
　　(1)開展干燥和飽和狀態(tài)下炭質(zhì)板巖單軸和三軸試驗、楔形剪切試驗、巴西圓盤劈裂試驗,以及單軸循環(huán)加卸載瞬時力學(xué)特性試驗,掌握了兩種狀態(tài)下炭質(zhì)板巖的瞬時力學(xué)特性,也為開展巖石蠕變試驗提供了試驗基礎(chǔ)。試驗結(jié)果表明:水對炭質(zhì)板巖強度和變形的影響是顯著的,而在單軸循環(huán)加卸載條件下的影響更為突出;
　　(2)采用全自動伺服流變儀,對干燥和飽和炭質(zhì)板巖開展分級加載和分級增量循環(huán)加卸載蠕變試驗,研究兩種狀態(tài)下炭質(zhì)板巖的蠕變特點,以及水

3、對巖石在各級壓力下的蠕變量、蠕變速率的影響。在中、低應(yīng)力水平下,巖石蠕變變形主要呈現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變2個階段,當(dāng)加載應(yīng)力增加到較高應(yīng)力水平時,巖石軸向變形急劇增長,表現(xiàn)出加速蠕變階段;相同應(yīng)力水平下的飽水巖樣的蠕變量為干燥巖樣的3倍以上;加卸載蠕變試驗表明:水對巖石瞬時變形的影響主要表現(xiàn)在瞬時塑性變形方面,對瞬時彈性變形的影響不大,而對巖石蠕變變形的影響則主要體現(xiàn)在粘彈性應(yīng)變方面;
　　(3)根據(jù)炭質(zhì)板巖在干燥和飽水狀態(tài)下的蠕

4、變特點,在Burgers流變模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合一個非線性粘塑性體,和Burgers流變模型相串聯(lián),構(gòu)建適于炭質(zhì)板巖蠕變特點的改進Burgers非線性粘彈塑性流變模型,導(dǎo)出了模型的本構(gòu)方程、蠕變方程、卸載方程以及蠕變模型的三維形式;
　　(4)在粒子群算法的基礎(chǔ)上,將線性遞減權(quán)重粒子群算法和Levenberg-Marqud非線性最小二乘法相結(jié)合,先采用線性遞減粒子群算法對流變模型參數(shù)進行初步辨識,將其結(jié)果作為初始值,再采用L-M算法

5、進行辨識,參數(shù)辨識后的相關(guān)系數(shù)均在0.94以上;
　　(5)針對目前建立的能反映蠕變加速階段的流變模型元件和參數(shù)較多的問題,借鑒經(jīng)典元件組合模型的建模思路,將含分?jǐn)?shù)階微積分的軟體元件與彈簧元件串聯(lián),結(jié)合一個冪函數(shù)粘塑性體,提出一種新的四元件非線性粘彈塑性流變模型,并給出該模型的本構(gòu)方程和蠕變方程。利用炭質(zhì)板巖蠕變試驗結(jié)果,將該模型與改進Burgers非線性流變模型進行對比擬合分析,表明該模型能夠有效地描述巖石的三階段蠕變特性,在滿

6、足擬合精度的前提下,能夠減少組合模型中的元件個數(shù)和參數(shù)數(shù)量;
　　(6)巖石的蠕變過程是巖石內(nèi)部應(yīng)力不斷調(diào)整,硬化和損傷效應(yīng)不斷發(fā)展并共同作用的結(jié)果。以經(jīng)典元件模型為基礎(chǔ),將巖石的初始屈服強度作為蠕變硬化的應(yīng)力閾值,巖石的長期強度作為損傷軟化的應(yīng)力閾值,引入能反映巖石蠕變硬化的硬化函數(shù)和損傷效應(yīng)的損傷變量,建立了一個能夠全面反映蠕變機制的巖石非線性蠕變模型。利用蠕變試驗數(shù)據(jù)對所提出的模型進行辨識,結(jié)果表明該模型不僅能夠很好地描述三