粉砂质泥岩蠕变特性及其对隧道围岩稳定性影响的试验研究

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蠕变作为岩石重要的力学特性之一,对岩土工程稳定性有着重要影响,正确预测和表征岩石的蠕变特性对岩土工程有重要的意义。本文以项目“滇中引水工程软弱岩土体工程地质特性及影响专题研究”为依托,以滇中引水工程老青山隧道J2z地层粉砂质泥岩为研究对象,将理论分析与试验研究相结合,根据不同含水状态下粉砂质泥岩的蠕变特性,建立了适用于J2z地层粉砂质泥岩的蠕变损伤模型,推导了该模型的蠕变方程;后基于FLAC3D提供的接口实现了改进Burgers蠕变损伤模型的二次开发;最后将开发的岩石含水蠕变损伤模型进行实际工程模拟。本文主要研究结论如下:(1)对老青山隧道粉砂质泥岩进行物理力学性质及水理性质试验得知:该粉砂质泥岩泥质主要由伊利石、伊利石-蒙脱石混层组成;随含水率的增加,单轴抗压峰值强度和弹性模量递减,岩石抗剪强度指标减小;该粉砂质泥岩饱和系数较大;该岩石软化系数较低,说明软化性较强;耐崩解性随循环次数的增加而趋于稳定;该粉砂质泥岩所含粘土颗粒与水反应迅速,遇水后表层会出现黏土颗粒剥落的情况,试验1h内膨胀力增长较快,后逐渐变缓,膨胀力较大。(2)对老青山隧道粉砂质泥岩进行不同含水状态下的三轴压缩蠕变试验,对不同状态下的蠕变特征进行了分析;总结了该粉砂质泥岩在不同含水情况下的蠕变规律,构建了基于Burgers模型的改进Burgers蠕变损伤模型,选用负指数形式的损伤变量来描述蠕变损伤,推导了该模型的蠕变方程;该模型由两部分构成,第一部分为经典Burgers模型,用来描述岩石线性阶段蠕变,第二部分为考虑含水损伤的非线性元件。通过参数反演拟合可知,该模型不仅能描述岩石不同含水状态下初始及稳态蠕变阶段变形情况,而且能较好地辨识加速蠕变阶段变形情况。该模型为六元件模型,参数较少,应用方便。(3)推导了改进Burgers蠕变损伤方程的有限差分形式,依据FLAC3D提供的内置Cvisc蠕变模型源代码为基础,应用C++编程语言在及FLAC3D平台自带的Fish语言实现了改进Burgers蠕变损伤模型的二次开发。(4)基于老青山隧道的工程地质条件建立三维数值模型,模拟了不同含水状态下隧道变形支护情况,验证了开发的岩石蠕变损伤模型的正确性。本文发现:隧道围岩蠕变变形量随着含水率的增大而增加,含水率越大,位移越明显;且蠕变变形量随时间的增长而增加,位移增量随时间增加有逐渐减小的趋势,这也表明了该岩石有明显的蠕变特征。(5)研究为含水粉砂质泥岩隧道的施工提供了理论参考,同时也说明了岩石蠕变模型考虑不同含水率的必要性。在该类隧道施工支护过程中,对不同含水率情况应采取不同支护措施来控制隧道变形,以达到经济合理的目的。
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