岩石流变力学特性的研究及其工程应用

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1、河海大学博士学位论文岩石流变力学特性的研究及其工程应用姓名：杨圣奇申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：徐卫亚20060301摘要岩石流变力学试验不仅是了解岩石流变力学特性的最重要手段，而且是构建岩石流变本构模型的重要基础。水利水电工程高坝坝基大多建于硬岩岩基上，高坝的建设往往伴随着岩石高陡边坡和大型地下洞室群的岩石工程问题，为了预测岩石工程的长期稳定性，有必要开展硬岩的流变力学特性研究尤其是三轴流变试验研究。岩石流变力学理论作为岩石力学中的前沿课题，近年来，研究工作进展较快，特别是利用实测试验资料反演流变模型参数、进而发展到对未知模型的辨识等。但岩石流变力学理论至今还不很成熟，许

2、多重大岩石工程的建设为岩石流变力学理论研究带来了严峻的挑战，当前岩石流变力学特性和本构模型理论的研究仍是其难点和热点问题。有鉴于此，本文采用试验研究、理论分析和数值模拟相综合的研究方法，基于岩石的三轴流变试验，运用非线性力学与损伤力学理论探讨岩石流变力学特性，主要研究硬岩在不同围压作用下的流变力学特性，建立岩石非线性流变本构模型，并将岩石流变力学特性的研究成果应用到重大水利水电岩石工程实践中。本文的主要研究工作如下：(1)基于在伺服试验机上得到的不同尺寸岩石单轴压缩瞬时力学特性试验结果，分析了岩石材料力学参数与尺寸之间的关系，采用损伤力学理论，考虑微元体破坏以及弹性模量与尺寸之间的非线

3、性关系，建立了考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型。采用伺服试验机对岩石进行了三轴压缩试验，从强度、变形以及能量角度，研究了围压对岩石三轴压缩瞬时力学特性的影响规律，分析了岩石三轴压缩瞬时破坏机理。(2)采用岩石全自动三轴流变伺服仪，对坚硬大理岩与绿片岩进行了三轴流变试验，研究了岩石在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间变化规律，探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势，分析了岩石三轴流变过程中的变形特性，讨论了岩石体积流变及流变速率规律，掌握了坚硬大理岩与绿片岩三轴流变特性的基本规律，为流变数值分析时参数的辨识提供了可靠试验依据。为了从机理和本质上对岩石流变力学特性有更

4、清楚地认识，通过对瞬时加载和长期荷载作用下岩石破坏断13进行电镜扫描试验分柝，考察岩石细观组构变化对三轴流变力学特性的影响，从岩石微细观角度来解释宏观流变力学特性，明确了复杂应力状态下岩石流变破裂机制。(3)基于岩石三轴流变试验研究结果，提出了一个新的非线性粘性元件，并～IIl～河海大学博士学位论文将其与已有的塑性体并联，得N-个新的能反映岩石加速流变特性的NVPB模型，然后将其与五元件粘弹性流变模型串联起来，建立了一个新的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型(河海流变模型)。采用在岩石全自动流变伺服仪上得到的流变全程曲线，对提出的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型(河海流变模型)进行了成功

5、辨识。基于提出的河海流变模型(HRM)，推导了岩石在恒应力与恒应力速率以及恒应变与恒应变速率情况下的流变方程，从理论上对岩石的非线性蠕变与松弛特性进行了分析，同时应用非线性粘弹塑性模型理论导出了岩石的三维蠕变方程，而且在河海流变模型基础上，通过引进一个塑性元件，建立了一个新的考虑岩石应力阈值的广义非线性粘弹塑性流变模型。(4)利用岩石剪切流变仪对龙滩水电站节理泥板岩进行了剪切流变试验，分析了泥板岩剪切位移随时间的变化规律，探讨了不同应力状态下剪切流变速率的变化趋势，讨论了岩石剪切强度随时间的变化规律。通过将提出的非线性流变元件(NRC模型)与西原模型串联起来，建立了新的能够描述加速流变

6、特性的岩石非线性剪切流变模型。采用得到的泥板岩剪切流变试验曲线，对建立的粘弹塑性剪切流变模型进行了辨识，获得了岩石粘弹塑性剪切流变模型的材料参数。(5)通过考察岩石粘聚力与内摩擦系数随时间的变化规律，提出了一个考虑粘聚力与内摩擦系数的岩石非线性粘塑性体(CF—NVPB模型)。然后将CF-NVPB模型与广义Kelvin粘弹性模型串联起来，建立了一个新的考虑粘聚力与内摩擦系数的岩石非线性粘弹塑性流变模型。基于提出的考虑粘聚力与内摩擦系数的岩石非线性粘弹塑性流变模型，分析了岩石的非线性蠕变与松弛特性。(6)基于岩石非线性流变损伤机制分析，采用时间损伤与能量损伤理论，建立了能够反映加速流变特性

7、的岩石非线性蠕变损伤模型，并利用岩石流变全程试验曲线，对其进行了充分的验证。基于提出的岩石非线性粘弹塑性流变本构模型，采用损伤力学理论，将损伤变量引入到所建非线性粘弹塑性流变本构模型中。建立了岩石非线性粘弹塑性流变损伤本构模型，同时推导了岩石的非线性蠕变损伤与松弛损伤方程，并对其非线性流变损伤特性进行了分析。(7)将岩石流变力学特性的试验和理论研究成果应用于锦屏一级水电站高坝坝基岩体工程与构皮滩水电站右岸拱肩槽下游山体高边坡工程实践中。预测复杂