高应力高孔隙水压作用下岩石卸荷蠕变力学特性研究

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在我国建设行业飞速发展的今天,深埋高应力作用下的工程问题越来越不容忽视。深埋地下隧洞、深部地下的开采与掘进以及高边坡开挖等工程均受到高地应力影响,此类工程中岩体的卸荷稳定性已经成为我国在涉及高地应力工程建设领域中急需解决的核心问题。因此,深入开展高应力高水压对砂岩卸荷蠕变力学特性方面的研究具有重要意义。本文受到国家自然科学基金重点项目“复杂条件下库岸边坡变形破坏机理及防护”(51439003)的资助,以三峡库区砂岩为试验对象通过室内力学试验,对其力学特性进行相关是研究,得出相关结论,主要的研究内容如下:1)对砂岩进行常规的单轴实验、高应力下三轴压缩和高应力高水压耦合作用下的三轴瞬时力学试验,对岩样的变形特点、强度特征、脆延转换规律及破坏模式进行了分析,探讨了高应力、高水压与砂岩变形特征参数(弹性模量、峰值应变等),强度特征(粘聚力、内摩擦角等)的关系。为后续进行岩石卸荷蠕变试验及理论研究提供了基础依据。2)开展不同围压和水压(孔隙水压)下的三轴卸荷蠕变试验,采用定轴压卸围压的卸荷载方式对砂岩进行室内三轴蠕变试验。通过对三轴蠕变试验曲线进行分析,发现砂岩的蠕变曲线出现了裂隙压密阶段、减速蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变破坏阶段4个典型阶段;基于试验结果,研究了高应力和高孔隙水压对岩石蠕变变形特性的影响;对砂岩轴向蠕变应变的粘弹塑性特征进行分析,表明砂岩的蠕变变形具有复杂的粘、弹、塑性共存特性。3)参考蠕变本构模型的选取及参数辨识流程以线性Burgers流变模型为基础,基于高围压的条件采用改进后的非线性Mohr-Coulomb,准则,提出了一种新的塑性I-MC元件,将该元件与典型的Burgers模型串联起来,用以描述蠕变全过程曲线中的非线性加速流变变形阶段,并鉴于孔隙水压的劣化损伤作用,在上述非线性本构模型的基础上,引入描述弹性模量损伤和黏滞系数损伤的损伤变量d_E、d_η,建立了考虑高孔隙水压损伤和高围压影响的非线性蠕变本构模型。通过LM非线性优化最小二乘法对砂岩试样流变模型参数进行了辨识,采用轴向蠕变曲线对该非线性损伤流变模型进行验证,结果表明该模型能与蠕变试样结果较好的吻合,反映了该模型对的正确性与合理性。
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