高围压高孔隙水压作用之岩石卸荷蠕变特性研究与工程应用

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1、高围压高孔隙水压作用之岩石卸荷蠕变特性研究与工程应用1绪论1.1选题依据及研究意义随着我国交通、水利等基础工程的大规模建设，石油煤炭资源的大规模深部开采，高应力高水压作用下的岩石工程问题日益增多。以秦岭隧道、青藏铁路新关角隧道为代表的交通铁路建设工程，以雅砻江锦屏引水隧洞、南水北调西线工程为代表的西部水利水电工程，都具有高地应力、高水压力特点。如锦屏二级引水隧洞最大埋深2525m，实测最大地应力值42.1MPa，最大水压10.2MPa。规划中的南水北调西线工程的隧道埋深多在400~1100m以上，最大埋深1150m，开挖时可能遇到约50.0MPa的

2、水平应力。建设中的大岗山电站地下厂房区，最大主应力达26.9MPa。对于这类高地应力高水压的水电工程，如何保证地下围岩稳定性是迫切需要解决的关键科学问题[1-3]。深部岩体处于三向高应力状态，呈现出与低应力时不一样的变形强度特性：①流变特性明显增大，在较大的应力差条件下，即使硬岩也会发生明显的流变效应；②强度曲线的非线性特征，在低围压下，岩石大都服从线性Mohr-Coulomb强度准则，但在高围压呈现出明显的非线性；③延性破坏特征，在较低围压下强度峰值后表现为脆性破坏的岩石，随着围压的提高逐渐转化为延性破坏。因此，深部岩石工程近场围岩在开挖卸荷后会

3、产生明显的瞬时变形和时效变形。目前，有关岩石变形强度的研究大都基于常规加载试验，但岩石在加载与卸荷条件下的力学特性存在明显差异，特别是高应力状态下尤为明显。主要表现为：①力学参数不同，加卸荷试验得到的力学参数存在明显差异，卸荷应力状态下，受拉损伤起重要作用，岩体强度参数明显偏低；②屈服条件及强度准则不同，不同的力学状态下，岩石强度准则存在明显区别。.1.2国内外研究现状Ses;109N/m，最大轴力4600KN，最大围压150MPa，最大孔隙水压140MPa。试验所用砂岩，主要成分为石英、长石、燧石和白云母等。试样干密度为2.33～2.74g/cm

4、3，孔隙率为0.63～0.71%，粒径为0.01～0.5mm。所有试验岩样均是在现场简单切割，再依据国际岩石力学学会(ISRM)试验规程在实验室对岩样进行精细加工，制成直径50mm、高度100mm的圆柱体。试验加工精度按照《水利水电岩石试验规程》（SL264-2001）执行，端面不平整度允许偏差为±0.005mm，端面应垂直于试件轴线，允许偏差为±0.25°。试样制备完成后，经过筛选的部分试样见图2.2。.3高围压高孔隙水压下岩石卸荷蠕变特性试验研究.........413.1引言.....413.2试验概况..

5、.......423.2.1试验设备........423.2.2试验方法........433.2.3试验方案........453.3试验结果.........453.4岩石三轴卸荷蠕变特性分析.......533.5本章小结.........724高围压高孔隙水压下岩石非线性蠕变本构模型........734.1引言.....734.2线性蠕变模型.......754.3高围压高孔隙水压下非线性蠕变本构模型研究.....784.4模型参数参数识别.....944.5本章小结.........995高围压高孔隙水压下岩石蠕变本构模型的FLAC3

6、D二次开发....1015.1引言.........1015.2高围压高孔隙水压作用下砂岩非线性蠕变本构计算模型.....1025.3岩石非线性黏弹塑性计算模型的数值实现.....1055.4岩石非线性蠕变本构FLAC3D二次开发.......1085.5本章小结.......1126高应力高水压段隧道施工期围岩时效变形数值模拟分析6.1引言大量工程实践与研究表明，岩体工程的破坏与失稳，在很多情况下并不在开挖完成后立即发生，而是岩体的应力与变形将随时间变化不断做出调整，调整的过程往往需要延续一个较长的时期。因此，在进行岩土工程设计或分析时，不仅要考

7、虑岩体的瞬时弹塑性变形，还要高度重视流变变形。本章基于第五章开发得到的高围压高孔隙水压作用下岩石非线性蠕变模型程序，利用FLAC3D软件对西南地区某深埋隧道开挖过程进行了蠕变数值分析，研究开挖过程中无孔隙水压作用和有孔隙水压作用时候蠕变对围岩变形的影响规律，从而为高地应力高孔隙水压作用下岩石工程长期稳定性和安全性提供合理建议与评价。隧道所在区域属于脊状山地地貌，山脊走向与构造迹线基本一致。隧道穿越一山脊，山脊走向近南北向。区内地形中间高，进出口低，隧道轴线处最高高程555.80m左右，总体高差390m左右，进口段地形相对较陡，总体坡角约45°

8、;，出口段地形坡度相对较缓，坡角约20°。道全长895.625m（起止里程为：SK+100~SK1+998.625