岩体裂隙非线性蠕变过程特性与应用研究

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1、第17卷第4期岩石力学与工程学报17(4):358～3651998年8月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringAug.,19983岩体裂隙非线性蠕变过程特性与应用研究邓广哲朱维申(西安矿业学院采矿系西安710054)(中国科学院武汉岩土力学研究所武汉430071)摘要从岩体不连续裂隙介质三轴蠕变试验结果,分析了开挖诱致岩体裂隙蠕滑全过程的基本特点。研究了裂隙起裂机制、蠕变扩展规律,讨论了岩体裂隙损伤断裂全过程与裂隙岩体蠕变全过程的耦合关系,并建立了相应的本构模型和分析模型,最后进行了算例分析。关键词裂隙非线性蠕变

2、,断裂与损伤,卸荷蠕变模型分类号TU4531引言自然岩体经历过漫长地质作用,是一个受多因素影响,随时间变异的复杂动态系统。加诸于岩体的工程建造和人类开采活动的作用效应,必然导致岩体内部裂隙的产生、滑移或扩[1～7]展变化。作者近年来所进行的研究实践表明,节理岩体蠕变破坏峰值前后过程中,裂隙的扩展与演化和岩体的长期稳定性是密切相关的。可见,在复杂应力路径下研究岩体裂隙蠕变扩展机制及其特性,具有重要的理论与应用价值。分析岩体受力状态的复杂性,把试块受力变化情况分成两类,I类是试件轴压增加而围压不变引起失稳;II类是试件轴压、围压都发生了变化而引起试件失稳。若将裂隙

3、岩体第I类失稳称为简单变载下的失稳,则第II类失稳可称之为复杂变载条件下的失稳。复杂变载是实际开挖扰动过程中卸荷引起的极为常见的变载形式。本文就后一种情况为例加以讨论。2试验基本条件及模拟分析2.1试验基本条件为了能真实反映不连续节理岩体,在复杂变载条件下裂隙蠕变演化全过程的规律性,选用了三轴应力加载条件,如图1所示。试验时将试件(图2)置入加载腔内,先模拟出原始应力[8]场,然后,模拟开挖过程,并使试验应力满足如下条件:1997年4月21日收到初稿,1997年6月18日收到修改稿。3国家自然科学基金委、中国长江三峡开发总公司和地质灾害防治与工程地质环境保护国

4、家专业实验室联合资助的重大基金课题(59493600)。作者邓广哲简介:男,32岁,1997年在中国科学院武汉岩土力学研究所获博士学位,现任副教授,主要从事采矿与岩土工程教学与科研方面的工作。©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第17卷第4期邓广哲等.岩体裂隙非线性蠕变过程特性与应用研究·359·图1试验系统图2裂隙单元Fig.1TestingsystemFig.2Crackelement$R1+$R2+$R3=

5、0(1)且洛德(Load)参数m分别取-1,0,+1来讨论。应力变化速率控制在0.1～0.01MPaös。2.2模拟设计2.2.1选样及裂纹模拟原岩分别选用青砂岩、砂泥岩、大理岩、花岗岩等为对象。根据实际统计结果,选取图2所示裂隙岩体模型试样和裂隙单元参数。模拟裂隙单元分细观和宏观两类。宏观间断裂隙面参数见表1。表1裂隙特征参数Table1Characterparametersofcracks裂隙间距岩性裂隙长度aömm裂隙倾角Hö(°)连通率ö%du青砂岩3055,60,70,85303050砂泥岩4055,62,69,80204050大理岩20-,65,7

6、2,85202050花岗岩30-,-,70,842030202.2.2模拟参数分析根据岩体中裂隙分布统计规律和试验要求,采用量纲分析法选取如下相似参数:Cl=1÷25Cr=1÷1则CR=1÷25(2)式中:Cl,Cr,CR分别为尺度比、容重比、应力比。同时考虑粘弹性条件下裂纹扩展相似,则"ãCkIc=CRCl(3)式中:CkIc为断裂韧度比。对于裂隙岩体蠕变试验中,蠕变时间相似参数,采用模型试验法得到V1Ct=k(4)V2式中:V1,V2分别为模型1,2的平均蠕变速度;k为1,2两个试件的几何比的倒数。©1994-2010ChinaAcademicJourna

7、lElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net·360·岩石力学与工程学报1998年RA由蠕变试验结果的分析,得到裂隙花岗岩原型与模型应力应变关系,如图3(图中′～RARBRCRE′～′在25～30之间变化,′≈30)。由图可见本文所给出的模型,能基本保证蠕变变形RBRCRE全过程几何相似,并能较好地反映原岩特性。3试验结果分析3.1复杂变载的全程分析在不同情况下,裂隙岩体非线性蠕变过程R～E规律性可给出如图4所示的结果。为了便于比较,将体积应变Ev反号也画于图中。根据试验分析,

8、将图4划分为如下4个阶段过程:图3原型