软岩隧洞围岩时效变形与支护结构受力分析

基于典型的Burgers蠕变模型,采用满足Mohr-Coulomb屈服准则的塑性元件与之串联,建立了一种由Burgers蠕变模型与带拉伸截止限的Mohr-Coulomb塑性屈服准则组合而成的复合粘塑性模型,并针对滇中引水工程软岩隧洞进行数值模拟。结果表明,蠕变初期洞周围岩变形增长较快,之后逐渐衰减,变形增长速率随时间推移而减小;隧洞不同部位围岩时效变形特性有所不同,侧墙部位蠕变30d后趋于稳定,但顶拱受软岩流变影响时间较长,到100 d左右才基本达到稳定;支护结构受力随时间变化规律与围岩时效变形规律基本一致。     

基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解

为进行流变围岩圆形隧洞工程应力、应变分析,将Hoek-Brown强度准则引入到西原流变本构模型,同时在力学模型中考虑掌子面推进效应和支护阻力对围岩应力释放率的影响,得到了支护条件下基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解。通过锦屏二级水电站引水隧洞案例验证解析方法的可靠性,并进行了塑性区半径和围岩变形的影响因素定量分析。研究结果表明:(1)基于Hoek-Brown准则的西原模型更能反映实际隧洞工程岩体流变特性,建立的解析方法能够考虑围岩应力释放效应和塑性体积扩容特征对围岩变形的影响,其计算结果与实际监测数据吻合良好;(2)围岩应力释放系数、Hoek-Brown准则参数s、原岩应力和隧洞半径对塑性区半径的影响较大,是判断流变围岩隧洞稳定性的主要考虑指标,相对而言,岩石单轴抗压强度和Hoek-Brown准则参数m对塑性区半径的影响较小;(3)引入围岩扩容系数后,围岩位移量显著增加,但基本不影响围岩流变变形曲线形态和塑性区半径,从洞壁向围岩内部延伸,围岩扩容系数对围岩变形的影响越来越小。     

考虑加速蠕变的深井巷道粉砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型研究

围岩流变特性是影响巷道工程安全性和稳定性的关键因素之一,本构模型的研究是岩石流变力学理论研究中最基本最重要的组成部分,同时也是将试验研究成果应用于实际工程的必要环节。综合采用试验研究、理论分析和数值试验模拟分析等研究方法,对淮南矿业集团朱集煤矿千米深井巷道粉砂岩的流变力学特性和本构方程的构建进行了分析研究。在参考大量相关理论和试验资料的基础上,提出改进的与应力以及时间有关的指数函数形式的非线性黏塑性元件,将之与Burgers蠕变模型串联形成能够模拟岩石三阶段蠕变特性的六元件组合模型。对朱集煤矿深井巷道粉砂岩进行高围压状态下三轴蠕变试验,获得了不同应力水平下的蠕变曲线,依据测得的轴向蠕变曲线对所提出的六元件蠕变模型进行参数辨识,验证了模型的合理性。     

香炉山引水隧洞围岩的蠕变特性及模型研究

为了探究滇中引水隧洞围岩的蠕变特性,采用实时高温常规三轴试验系统开展岩石的力学性能和蠕变试验。在建立岩石蠕变本构模型的基础上,根据蠕变试验曲线的特点,提出了一种确定蠕变参数的方法,并分析了不同应力水平下蠕变参数的变化规律,构建了蠕变参数与应力的关系。最后将各蠕变参数与应力之间的表达式代入蠕变本构模型中,得到修正的蠕变本构模型。结果表明:建立的蠕变模型不仅准确反映了衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特征,而且克服了传统模型难以描述加速蠕变的缺点。同时,该方法确定的蠕变参数不仅可以反映应力对蠕变参数的影响,还可有效反映应力状态对蠕变变形规律的影响。     

基于应变屈服临界的岩石黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究岩石的非线性加速蠕变特性, 依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征,划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态,并给出了相应状态的蠕变力学特性。假定岩石在三轴压缩试验条件下,发生延性剪切破坏,推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式。基于Perzyna黏塑理论,考虑后继屈服硬化作用,引入统计损伤因子,构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型;采用岩石全自动伺服三轴蠕变试验机对三峡库区典型砂岩试样开展了蠕变试验,得到了岩石试样在不同应力水平作用下的蠕变变形曲线。结果表明:蠕变试验中,岩样力学性质的时效特征显著,在最后一级应力水平作用下发生了非线性加速蠕变现象。基于提出的黏弹塑性蠕变模型对试验曲线进行拟合,拟合结果说明模型能够较好地反映砂岩蠕变3个阶段变形的规律特征,拟合效果较好。     

卵石土蠕变本构模型及其工程应用

卵石土是岩土工程建设中的常用材料,由于针对其流变力学特性的研究较少,导致无法评价该种材料的长期稳定性。采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,针对卵石土开展了室内三轴蠕变试验,对卵石土蠕变的有关力学问题进行了探讨,分析了卵石土蠕变与时间、应力状态的关系,并提出了11参数卵石土蠕变的数学表达式及相应的参数指标。将该本构模型嵌入到ABAQUS软件中,计算了某大桥锚碇下覆地基的长期沉降变形。结果表明,提出的本构模型可以很好地描述卵石土的流变特性。与锚碇沉降变形监测结果相比,蠕变加速变形阶段的沉降计算结果偏大,蠕变稳定阶段的沉降计算结果偏小。研究结果可为卵石土的长期变形计算提供相关参考。     

基于分数阶微积分的岩石蠕变损伤本构模型

为了反映岩石蠕变特性,采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机进行砂岩三轴压缩蠕变试验,基于岩石蠕变的阶段特征,提出通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。依据连续损伤理论对弹性体和分数阶黏塑性体进行改进,通过SN元件改进分数阶软体。利用综合改进后的考虑时效损伤的弹性体和基于分数阶微积分的非定常黏滞体和非定常黏塑性体,构建了新的三元件蠕变损伤本构模型,并用遗传算法得到了模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,表明所建模型具有合理性和适用性,可为红层边坡流变特性的研究提供一定参考。     

大型抽水蓄能电站地下厂房围岩变形时效特征和反馈分析

丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群的施工期围岩变形具有量值大、时效特征明显、不同深度围岩均可能发生变形的特点。为研究该地下厂房围岩变形时效特征,基于工程地质条件和监测数据,开展围岩变形机制研究。分析结果表明:地下厂房围岩变形的分布特征和时效特性,既与围岩在开挖卸荷后所出现的岩体质量下降、围岩强度减小、岩体蚀变现象有关,也与围岩内存在节理裂隙或断层等不连续地质结构在开挖卸荷作用下易发生张开或错动有关。采用由伯格斯流变模型与带拉伸截止限的摩尔-库伦塑性屈服准则组合而成的复合黏弹塑性模型,进行围岩流变力学参数反演,获得了与监测值吻合较好的围岩变形和变形时程曲线计算结果。根据洞室群围岩开挖支护稳定性分析结果,可知截至主厂房第V层开挖支护完毕,洞周围岩局部变形和塑性区深度均较大,且塑性区贯穿主厂房和主变室洞间岩柱,围岩稳定性总体较差。因此,主厂房在第V层开挖完毕后暂停继续下挖,专门进行洞室群的系统性加强支护是必要的。     

复杂围岩的应力与位移计算方法研究

岩体具有流变性能 ,围岩开挖后 ,视之为粘弹性体与粘塑性体的组合体比较恰当 ;在围岩的粘弹性区采用中村模型 ,用数学的方法 ,求出粘弹性区、粘塑性区的应力和位移表达式     

胶结砂砾石坝坝料双屈服面弹塑性本构模型研究

【目的】为了准确预测不同胶结材料用量及围压下胶结砂砾石料的应力变形特征，【方法】采用理论推导与试验结果分析相结合的方法，在广义塑性位势理论框架下，依据胶结砂砾石料力学特性三轴试验结果，构建了新的剪切屈服函数和体积屈服函数。结合可反映硬化规律的塑性系数以及加卸载准则，建立了一个双屈服面本构模型，随后对比分析胶结材料用量20 kg/m³、60 kg/m³以及100 kg/m³的胶结砂砾石料三轴剪切试验数据及本构模型的计算值。【结果】研究结果表明，抛物线型剪切屈服函数与椭圆型体积屈服函数可很好地反映胶结砂砾石料的剪切变形与体积变形机制。【结论】新的本构模型充分考虑了胶结材料用量、围压对胶结砂砾石料塑性变形、峰值强度、剪胀性等特性的影响；模型参数共有12个确定简单且物理意义明确的参数；该双屈服面本构模型的应力应变预测值与相应的三轴试验数据基本吻合。     

含水砂岩蠕变损伤模型的二次开发及工程应用

隧道围岩在富水环境下流变现象显著。以某砂岩隧道为研究对象,开展砂岩饱和状态下的三轴压缩蠕变试验,建立考虑含水率的损伤表达式。砂岩流变性态为黏性-黏弹性-黏塑性,通过统一流变力学模型理论确定蠕变模型结构为H- N -H｜N -N｜S,基于此模型进行损伤演化,从而得到蠕变损伤模型并将其推广为三维情形。将本构模型三维差分化,通过C++和FISH语言在FLAC^3D中实现了二次开发。还原实际试验条件,进行仿真验证,证明二次开发成功及模型参数求取的正确性。建立隧道三维模型,调用自定义蠕变本构模型,进行不同蠕变时间下的数值计算,验证本文蠕变损伤模型在岩体工程应用中的可行性。研究成果可为类似本构模型的构建与开发及隧道长期营运安全性分析提供参考。     

朱集煤矿泥岩的流变试验与本构模型研究

巷道等地下工程围岩的蠕变极大地影响着工程的稳定性,正确认识岩石的流变特性可以使岩土工程的设计、施工和运行更加安全可靠。以朱集煤矿泥岩为研究对象,采用分级加载方式,进行单轴弹黏塑性流变试验,借助Origin软件对流变试验数据进行深入分析,研究该岩样各级荷载作用下的轴向蠕变规律,并分别采用线性的Burgers模型和七元件非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)对轴向蠕变曲线进行拟合,确定流变模型的力学参数。将拟合曲线与试验曲线对比分析,结果表明:应力水平较低时,2种模型均能较好地反映蠕变过程;当应力达到长期强度后,七元件非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)能较好地反映泥岩岩样流变的3个阶段,而Burgers模型偏差较大。     

基于ABAQUS的弹脆塑性本构模型二次开发及其应用

在复杂应力状态下,大理岩、花岗岩等脆性岩石呈弹脆塑性破坏形式。利用ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT的二次开发平台,编制完成了基于D—P准则的弹脆塑性模型的UMAT接口程序。论文简要介绍了ABAQUS有限元软件及其UMAT用户材料子程序,重点对基于D—P屈服准则的弹脆塑性本构模型的应力跌落公式进行了推导,并讨论了有关的应力更新算法。最后应用该程序对某引水隧洞工程进行了数值分析,并与理想弹塑性情况下的计算结果进行对比研究。结果表明：与理想弹塑性模型相比,弹脆塑性模型得到的洞周围岩变形和塑性区范围较大,与实际情况更为接近。     

试论岩石力学与土力学统一共核理论模型

从几个方面讨论岩石力学与土力学统一共核的理论模型.弹塑性分析所采用的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则以及考虑所有应力分量的统一强度理论虽然各有缺点,但都能较好的表征岩土介质的某些特性;粘弹性模型中的广义Kelvin模型和粘弹塑性模型中的西原模型较全面地反映出工程中的岩土特性;连续介质力学模型已成功地描述了土体和某些岩体的力学属性.通过对本构模型和强度理论、流变模型、连续介质和不连续介质力学模型的讨论,阐述了岩石力学与土力学是一个统一的理论体系的观点.     

构皮滩水电站工程软岩原位流变试验研究

对构皮滩水电站第二级升船机基础的薄层状页岩进行了现场原位流变试验研究。结果表明,薄层状页岩在外荷载的长期作用下蠕变变形较大,表现出显著的黏弹性特征;同时根据半无限空间弹性理论,推导了基于刚性承压板原位流变试验的流变本构关系——Burgers模型解析表达式,并建立了岩体流变本构模型参数的辨识方法。研究结论有效解决了基于原位流变试验的岩体流变力学参数取值问题。     

考虑时效损伤的岩石分数阶蠕变本构模型

为准确描述岩石蠕变变形破坏全过程,引入连续损伤和分数阶微积分理论建立全面、简练的蠕变本构模型。首先基于弹性模量随时间衰减规律,根据能量损伤的方式定义损伤变量,构建考虑时效损伤的弹性体,并验证该损伤演化方式的可行性。采用Riemann-Liouville型分数阶微积分算子理论,构建具有非线性特征的分数阶软体元件,利用该软体元件作为分数阶黏滞体描述岩石黏弹性应变,在该软体元件的基础上进行损伤演化,得到考虑时效损伤的分数阶黏塑性体。联合分数阶黏滞体、考虑时效损伤的弹性体和分数阶黏塑性体,建立一个新的考虑时效损伤的分数阶蠕变本构模型。给出参数解析方法,利用泥质板岩蠕变数据验证模型合理性和优越性。分析损伤发展过程,判断模型参数敏感度,并通过红砂岩、千枚岩单轴压缩各向异性蠕变特性试验研究蠕变试验数据验证模型适用性。研究成果为岩石蠕变全过程辨识及岩体工程长期稳定性研究提供一定参考。     

基于全量理论的洞室围岩抗力系数计算

视衬砌在内压力作用下与围岩共同承载联合工作,采用全量理论将岩体单轴应变非线性软化本构模型推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,将围岩划分为松动区、塑性区、弹性区,对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。在推导出围岩松动区、塑性区、衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式基础上,得出了不同工况下围岩抗力系数计算公式,该围岩抗力系数计算公式不仅考虑了中间主应力的影响,而且与已有的围岩抗力系数计算公式相通。     

岩石的流变破坏过程及有限元分析

岩石具有流变性质,这一特性在实际工程中得到越来越广泛的重视。岩石的典型蠕变过程分为瞬时弹性应变、瞬态蠕变、稳态蠕变和加速蠕变4个阶段。由现有的流变元件(虎克体、牛顿体和圣维南体)组合成的模型,可以描述前3个蠕变阶段。本文补充一个描述加速蠕变的流变元件,并提出一个反映岩石蠕变全过程的模型系统。 对于某种岩石,当施加的应力较小时,应变趋于一稳定值(图1曲线1);当施加较大应力时,应变将以稳定的速率发展(图1曲线2)。因此存在一临界应力δ_f,当施加的应力小于该临界应力时,岩石不会发生蠕变破坏,当施加的应力大于临界应力时,岩石就会持续变形,并发展到破坏(曲线2虚线)。这个临界应力称为岩石的长期强度。     

低动应力下岩石分数阶Burgers本构模型

动荷载下岩石变形特性是岩土工程界的常见问题之一。为研究岩石低动应力下变形特性,基于分数阶微积分构建分数阶黏壶,将分数阶黏壶替换Burgers模型中Maxwell常值黏壶,建立了可反映低动应力荷载作用下岩石变形规律的分数阶Burgers模型(Fractional-order Burgers Model,FBM)。将动荷载分解为一个静力荷载和一个平均应力值为0的循环荷载,基于流变力学理论给出了静力作用下基于分数阶Burgers模型的岩石流变本构方程,再根据黏弹性力学理论,考虑岩石损伤、裂隙及塑性变形对动荷载下岩石储能柔量和耗能柔量造成的影响,引入储能和耗能柔量变化量,构建了循环荷载下基于分数阶Burgers模型的岩石动态响应本构方程式,最后将已获得的岩石流变本构方程式与动态响应本构方程式叠加,即得到一种新的岩石本构方程。与已有的试验结果相比,改进Burgers模型可较好地描述低动应力状态下岩石减速、等速2个阶段的变形特征,且模型参数可运用数值方法简便得到。     

一种改进的Bingham岩石蠕变模型研究

为描述岩石完整蠕变特性,基于非线性流变力学理论,引入能够描述衰减蠕变和加速蠕变阶段的2个非线性函数,将替换传统Bingham模型中的线性元件,建立了一种改进后的Bingham岩石蠕变本构模型。通过引入屈服强度阀值来界定岩石蠕变阶段,当岩石在高应力状态下,模型能同时描述衰减蠕变、定常蠕变和加速蠕变3个阶段。利用天然页岩蠕变试验结果,根据通用全局优化算法,对改进后Bingham模型的参数进行反演辨识,获得了流变参数。对比拟合曲线与试验结果显示,改进后的模型拟合效果良好,相关系数均在0. 9以上,说明该模型的适用性与可行性。