【摘 要】
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改革开放以来,我国经济驶入飞速发展的快车道。我国的基础设施建设、工程施工技术也迎来了空前发展的黄金期。水利水电、交通运输、矿产能源开发和核废料处置等地下工程已进入千米以上深度并有向更深岩层发展之趋势。伴随着地下工程开挖深度的大幅增加,复杂的地质赋存环境和岩层性质致使深部隧洞易产生突水、突泥、塌方、冒顶等一系列灾害事故。此外,地下工程的施工开挖过程会对围岩造成扰动并使地下水的渗流路径大大增加,最终造
【基金项目】
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国家自然科学基金项目,41772282,真三维高地应力条件下高边墙洞室劈裂破坏机理与支护控制方法研究; 国家自然科学基金项目,51809156,裂隙硬岩高温卸荷各向异性损伤流变特性与破坏机理研究; 国防科工局重大项目课题,YK-KY-J-2015-25,高放废物深埋地质处置地下实验室地质力学模型验证试验与安全可靠性分析研究
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改革开放以来,我国经济驶入飞速发展的快车道。我国的基础设施建设、工程施工技术也迎来了空前发展的黄金期。水利水电、交通运输、矿产能源开发和核废料处置等地下工程已进入千米以上深度并有向更深岩层发展之趋势。伴随着地下工程开挖深度的大幅增加,复杂的地质赋存环境和岩层性质致使深部隧洞易产生突水、突泥、塌方、冒顶等一系列灾害事故。此外,地下工程的施工开挖过程会对围岩造成扰动并使地下水的渗流路径大大增加,最终造成围岩含水状态发生改变。含水率是影响深部岩体时效变形特性的重要因素之一。为了揭示含水率对具有流变特性的深部软弱围岩力学机制的影响,本文以滇中引水香炉山隧洞工程为研究背景,通过蠕变试验、理论分析和数值模拟等方法系统研究了含水率对深部隧洞泥质粉砂岩蠕变力特性的影响规律,在此基础上建立了考虑含水率影响的非线性粘弹塑性模型(NVEPW模型),还进一步依托FLAC3D平台编制了非线性流变计算程序。最终,通过数值计算获得了对工程具有指导意义的建议和结论。本文主要研究成果如下:(1)针对香炉山隧洞泥质粉砂岩开展了弹性波波速测试试验、含水率测试试验、单轴三轴压缩试验等室内物理力学试验,得到了泥质粉砂岩的基本物理力学参数和水理性参数。以三轴压缩试验的结果为基础,进行了不同含水率下泥质粉砂岩分级加载三轴蠕变试验并获得了蠕变曲线。通过对泥质粉砂岩蠕变应变、蠕变速率、长期强度和蠕变破坏形态的系统分析,总结了含水率对泥质粉砂岩蠕变力学特性的影响规律。(2)以不同含水率下泥质粉砂岩蠕变试验结果为基础进行蠕变模型辨识:为表征含水率对泥质粉砂岩蠕变力学特性的影响规律,引入开关元件和随含水率变化的粘弹性模量对Burgers模型进行修正;为表征随含水率增大泥质粉砂岩加速蠕变阶段“脆-延”转化特性,在修正Burgers模型的基础上串联一个非线性粘塑性体。最终得到了考虑含水率影响的非线性粘弹塑性模型(NVEPW模型),该模型能够有效反映不同含水状态下泥质粉砂岩的减速、等速和加速蠕变特性。(3)对(2)中提出的NVEPW模型的本构方程、蠕变方程、松弛方程进行了详细的数学推导,还进一步导出了三维应力状态下的蠕变方程和中心差分格式。以FLAC3D二次开发接口为基础,在Visual Studio 2010开发平台编制了 userNVEPW模型的动态链接库文件,通过算例验证了 NVEPW模型计算程序的可靠性。(4)依托滇中引水香炉山隧洞典型洞段建立了数值计算模型,对模型开展了施工开挖过程的流变数值计算,获得了不同含水率下隧洞围岩蠕变、应力和塑性区的时效变化规律,提出了对工程施工安全具有指导意义的建议和研究结论。
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