层状软岩流变参数各向异性特征试验研究

为了研究层状软弱岩体流变参数的各向异性特征,以白龙江流域在建电站引水隧洞工程为背景,对层状软岩不同倾角作用下流变参数的各向异性特征进行试验研究,并采用最小二乘法对试验数据进行拟合,获得基于Burgers模型流变参数以及流变参数与岩石倾角的二元方程。结果表明:软岩倾角的不同直接影响其蠕变破坏模式及长期强度;试验获得的流变参数随着倾角由0°增至90°的顺序增加逐渐减小,且各参数变化趋势基本相同,呈锯齿状变化;试验得出的各流变参数与岩石倾角的二元方程可以在已知岩石倾角的条件下求出各流变参数,从而本构模型变为应力与应变的线性关系式,为施工中更好的了解软岩变形情况提供了一种计算方法。更多还原     

层状岩体损伤破坏特征数值模拟

为更深入了解层状岩体的力学特性,首先基于细观损伤力学理论,运用体积平均化的方法,推导了微裂纹对岩体弹性柔度矩阵的贡献;然后基于不可逆热力学框架,导出了损伤矢量的损伤破坏方程;最后建立了层状岩体的损伤破坏本构模型,并通过数值计算模拟了层状岩体的损伤破坏特征,与室内试验结果吻合较好。巴西圆盘劈裂数值试验研究表明:岩体试样的破裂面均从加载点起裂;层理倾角0°、90°时,破裂面为通过加载中心和试样中心的近似平面,层理倾角为其他角度时,破裂面为偏离了加载中心的曲面。与室内试验结果对比可知,本文二次开发的本构模型能够较好地预测层状岩体渐进破坏的各向异性。     

岩体原位试验新技术在水工复杂岩体工程中的应用综述

为解决复杂岩石力学问题,研发了复杂应力路径岩体高压真三轴原位试验技术及流变试验技术、岩体原位大尺度模型试验技术以及岩体破裂扩展精细探测技术等岩体原位试验新技术,并将其应用于白鹤滩柱状节理玄武岩修建高拱坝适宜性、锦屏二级引水隧洞高应力条件下深埋岩体力学特性、乌江构皮滩垂直升船机软岩地基长期变形预测等水工复杂岩体工程关键技术问题的研究。主要研究成果为:①针对高地应力岩体和地下洞室开挖复杂应力路径岩体的变形破坏问题,获得了柱状节理玄武岩、深埋大理岩考虑中间主应力影响的非线性强度准则的强度参数;②针对高应力、复杂应力路径条件下复杂结构岩体的流变特性问题,获得了深埋大理岩流变参数;③针对柱状节理玄武岩松弛特性及预应力锚固防松弛措施,实现了柱状节理玄武岩开挖松弛过程以及岩体真三轴试验破坏过程声发射精细探测;④针对构皮滩超高垂直升船机桩-软岩复合地基长期变形问题,获得了桩-软岩复合地基流变参数。该成果提升了岩体原位试验技术水平,发展了岩石力学基础理论,对解决水工复杂条件下的岩石力学新问题提供了技术支撑。     

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。     

黏塑流变本构模型力学参数敏感性分析

在岩体流变数值模拟中,岩体本构模型力学参数成为计算结果准确性的一个关键因素。在前期研究的基础上,开展了黏塑流变本构模型的力学参数敏感性分析。以3个围压下整体参数辨识结果作为基准值,将此基准值中的每一个参数分别增加20％,40%和减少20％,40％,其他参数保持不变,先推导流变本构计算应变值,然后求得计算应变值与试验应变值的差值,根据该差值求得总误差相对变化量,以此总误差相对变化量来衡量因参数变动而使得计算应变值偏离试验应变值的趋势和程度。在参与敏感性分析的6个参数中,E的敏感性最高,m,β 2个参数分区段具有较高敏感性,γ,n 2个参数次之,参数g敏感性最差。通过6个参数敏感性分析,明确了该本构模型中力学参数对计算结果准确性的重要程度,从而为参数取值提供了参考。     

复杂层状建基岩体可利用性及开挖深度优化研究

建基岩体的可利用性及开挖深度关系到水电站工程的可行性、合理性及经济性等,是技施阶段重要研究内容之一。基于对坝基不同岩性及其组合的岩石力学特性试验、岩层厚度、RQD值、波速测试及配套的现场大型变形试验等,研究了复杂层状建基岩体的结构特征和质量标准,并基于岩体波速建立岩体结构、岩体质量及变形参数的预测评价模型,确定了复杂层状岩体的可利用性标准,并对开挖深度进行了优化研究。结果表明：在砂岩类占比约60%的整个坝基岩体中,微新及以下复杂层状砂板岩以坚硬岩为主,且原位状态下岩体层面效应基本消失,完整性大幅提高;岩体波速与岩体结构、岩体质量及变形参数间具有很好的对应性;基于岩体波速建立了建基岩体利用标准,并将河床建基面开挖深度整体抬高约10 m,减少了岩基开挖和混凝土浇筑量并缩短了工期。     

围岩破损区的时效模型探讨

开挖扰动形成的围岩破损区由于力学性质弱化,容易发生时效变形,引起围岩破损区时效变形甚至失稳的主因是破损区岩体流变特性中的蠕变性质。本文将塑性位势理论引入元件流变模型,基于"不可逆变形难以区分出塑性部分和不可逆粘性部分"的认识,建立了一种适用于描述围岩破损区演化的时效本构模型(流变本构模型),该模型在低应力状态下反映粘弹性性质、高应力状态下反映粘弹—粘塑性性质。与同类型的元件流变模型相比,本文推导的流变模型只增加了一个可以由力学试验获得的长期强度参数,却可以延用塑性位势理论中的屈服条件作为稳态蠕变过渡到加速蠕变的判断准则(即蠕变破坏准则)。     

岩体参数的进化反演

传统岩体参数反演研究，一般均是在本构模型确定的情况下，进行物性参数的反演。为了对岩体的本构模型参数及物性参数进行全面反演分析，本文从系统辨识角度出发，采用基于实数编码的遗传算法进行研究，提出了一种对本构模型参数及物性参数进行全面反演分析的方法，并通过一个工程实例对其进行了验证。计算结果表明，本文方法可以在仅给出各参数取值范围的条件下，有效地求得岩体本构模型参数及物性参数，且所得诸参数同实际情况相当吻合。     

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。     

软弱岩体蠕变模型辨识与参数反演

压缩蠕变试验是了解岩体蠕变力学特性的重要手段。通过对大岗山水电站坝区软弱岩体现场压缩蠕变试验资料的分析，揭示坝区软弱岩体具有瞬时弹性变形、减速蠕变和弹性后效特性。通过对各种流变组合模型的辨识，确定采用广义开尔文模型来反映坝区软弱岩体的压缩蠕变特性。根据辨识的蠕变模型推导出了刚性承压板边缘岩体表面的压缩蠕变变形计算公式，据此采用优化反演法获得了坝区软弱岩体的瞬时弹性模量、黏弹性模量和黏滞系数等蠕变参数，从而为坝区边坡加固设计和稳定性分析提供了重要的岩体流变参数资料。