本文關(guān)鍵詞：多場(chǎng)環(huán)境作用巖石蠕變特性試驗(yàn)及力學(xué)模型研究　出處：《大連海事大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著我國大型巖體工程的不斷涌現(xiàn),如三峽大壩、錦屏水電站、地鐵隧道等,巖體工程的長期穩(wěn)定性越來越受到人們的關(guān)注,多場(chǎng)環(huán)境影響下的巖石蠕變力學(xué)特性問題日益突出。開展該方面的研究對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效控制巖體工程的長期安全穩(wěn)定有重要的理論意義。基于此,本文在前人的研究基礎(chǔ)上,采用室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)、理論分析和模型開發(fā)相結(jié)合的方法,研究了化學(xué)腐蝕、低溫和滲流對(duì)巖石蠕變力學(xué)特性的影響規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了低溫條件下THB非線性蠕變模型、化學(xué)腐蝕環(huán)境下非線性改進(jìn)H|M-CD蠕變模型和滲流-蠕變耦合ZNS模型,并通過FLAC3D實(shí)現(xiàn)程序開發(fā)。以大連地鐵和東港巖土路基為工程背景,應(yīng)用本文提出的理論模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。具體的研究內(nèi)容如下：(1)從宏細(xì)觀和化學(xué)損傷的角度出發(fā),以大連地鐵板巖為研究對(duì)象,開展不同水化學(xué)溶液(HCl、NaOH、NaCl)的腐蝕試驗(yàn)。探討板巖的水化學(xué)腐蝕機(jī)制,對(duì)比分析了不同溶液下板巖的變形、強(qiáng)度特性和試件破裂形態(tài)變化規(guī)律�；谒瘜W(xué)損傷與縱波波速的經(jīng)驗(yàn)公式引入水化學(xué)損傷變量,進(jìn)行多場(chǎng)耦合有限元程序的巖石彈塑性應(yīng)力-化學(xué)-損傷(MCD)計(jì)算模擬驗(yàn)證。開展了NaCl溶液腐蝕蠕變?cè)囼?yàn),揭示了不同浸泡時(shí)間板巖試件腐蝕特性。分析了不同腐蝕條件下試件各個(gè)蠕變階段的變化規(guī)律和特征�？偨Y(jié)了長期強(qiáng)度、蠕變速率、彈性模量隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律。最后基于試驗(yàn)結(jié)果,提出了考慮化學(xué)損傷的5元件非線性黏彈塑性蠕變模型(H|M-CD模型),并利用1stOpt優(yōu)化軟件對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。(2)為了研究低溫環(huán)境下的巖石蠕變特性,改進(jìn)了一套可以開展低溫條件巖石三軸蠕變的試驗(yàn)裝置。開展了低溫環(huán)境下(T0℃)含水類巖石的力學(xué)特性試驗(yàn)研究,對(duì)不同溫度、不同含水率的類巖石試件蠕變規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析,揭示了含水狀態(tài)對(duì)低溫環(huán)境下類巖石蠕變過程影響規(guī)律的機(jī)理。引入損傷變量,基于Burgers模型建立了一種適用于低溫條件下不同含水狀態(tài)的THB (Thermo-hydro Burgers)蠕變損傷本構(gòu)模型,并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了損傷變量和蠕變參數(shù)。基于電阻率與蠕變的響應(yīng)規(guī)律,發(fā)明了一種采用電阻率反映低溫巖石三軸蠕變各階段的方法。開展了凍融循環(huán)次數(shù)與化學(xué)腐蝕耦合影響規(guī)律試驗(yàn)研究,對(duì)比分析了石英砂巖和石英巖凍融-腐蝕前后的表面微觀顯微圖像變化規(guī)律,揭示了不同條件作用下巖石的蠕變力學(xué)特性變化規(guī)律。(3)針對(duì)裂隙滲流的問題,首先通過自制的環(huán)向滲流耦合裝置開展了不同接觸狀態(tài)的環(huán)向單裂隙滲流試驗(yàn),對(duì)比分析了其滲流變化規(guī)律；然后,開展了板巖貫通裂隙受水化學(xué)溶液(NaCl、HCl、NaOH)腐蝕的滲透特性試驗(yàn)研究。通過對(duì)巖樣SEM掃描和浸泡溶液pH值的對(duì)比,分析了水-巖作用對(duì)裂隙板巖微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制,給出化學(xué)反應(yīng)方程。通過不同溶液、不同浸泡時(shí)間裂隙試件的滲透性試驗(yàn),宏觀上獲得了腐蝕環(huán)境下裂隙板巖的滲透性變化規(guī)律�；谠囼�(yàn)數(shù)據(jù)建立不同溶液中板巖的滲透系數(shù)與浸泡時(shí)間的非線性關(guān)系,并引入裂隙滲流計(jì)算理論公式,采用FLAC3D的fish語言編寫板巖裂隙化學(xué)-滲流-應(yīng)力耦合計(jì)算程序來驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。(4)開展了加卸載循環(huán)擾動(dòng)的滲流-蠕變耦合試驗(yàn),揭示了蠕變過程中的滲流特性和蠕變規(guī)律,分析了巖石加卸載過程中的蠕變、滲透性變化規(guī)律和滲流-蠕變耦合機(jī)理,得到壓密階段、裂紋擴(kuò)展階段和裂紋貫通階段巖石體積應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律,總結(jié)了滲透率與體積應(yīng)變之間的關(guān)系。引入單元安全度ZSI(Zone State Index)的概念,通過ZSI判斷蠕變各階段的臨界值,建立ZSI與滲透率的關(guān)系,基于西原模型,開發(fā)了非線性蠕變-滲流耦合模型ZNS(ZSI Nishihara Seepage)。經(jīng)對(duì)比,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。(5)基于以上提出的滲流-蠕變耦合ZNS模型,對(duì)大連地鐵隧道202標(biāo)段下穿鐵路橋盾構(gòu)施工進(jìn)行數(shù)值模擬。分析了開挖面位于不同位置時(shí)的ZSI值和滲透系數(shù)的變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了巖體破壞程度的量化評(píng)價(jià)和滲透系數(shù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)；利用以上提出的適用于低溫環(huán)境的THB非線性蠕變模型,對(duì)東港巖土路基的冬季施工過程進(jìn)行計(jì)算。模擬了施加碎石樁對(duì)路基蠕變沉降的影響規(guī)律,計(jì)算了路基在不同溫度不同含水條件下的蠕變沉降,給出了針對(duì)冰凍期施工的處置意見。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU45
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本文編號(hào)：1327988