复杂坝基岩体渗流应力耦合流变模型研究及应用

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随着经济的快速发展以及能源需求的迅速增加,我国在能源结构调整和优化建议方案中均提出积极发展水电、核电等再生能源的先进利用。因此,加快水电开发和建设仍旧是下一个五年计划的目标,这将意味着岩石工程项目的不断增多。岩体作为工程建筑的基础、边坡及围岩等工程地质的介质,其力学特性直接影响到工程的安全。岩体的力学特性不仅有弹性和塑性,还有与时间相关的特性,即流变性。渗流是影响岩石流变力学性质的一个重要因素。尤其是水电工程中的岩体以及隧洞围岩长期处于有水包围的状态中,而隧洞的开挖扰动会引起原有岩体破裂且增大岩体暴露面积,从而导致岩体渗流路径的增加,使得岩体遇水弱化。随着时间的增长岩体可能出现失稳现象进而造成重大事故的发生。因此,复杂坝基岩体渗流应力耦合流变效应的分析研究对于高拱坝的运行长期稳定性具有十分重大的现实工程意义、社会意义。本文以硬脆性岩石为主要研究对象,选取具有代表性的硬脆性岩石辉绿岩在不同围压下的常规三轴压缩试验和三轴蠕变试验数据,采用试验研究和理论分析以及数值模拟的综合研究方法,分析渗流应力耦合作用下的流变效应,预测岩体的长期变形特性和稳定性。本文的主要研究内容包括:(1)选用大岗山水电站坝区岩石辉绿岩,进行常规三轴压缩试验和三轴蠕变试验。通过分析常规三轴压缩试验数据获得不同围压下岩石的损伤阈值,根据常规三轴试验应力-应变曲线引入具有实际意义的非线性指标,建立带有非线性指标且考虑损伤阈值的损伤模型。通过两种类型岩石的试验值验证了该模型的适用性。(2)基于辉绿岩不同围压下的室内三轴蠕变试验提出了可以描述加速蠕变的非线性黏弹塑性混合元流变模型。同时结合常规三轴统计损伤模型建立了相应的流变损伤模型。通过试验数据进行验证,结果显示基于该模型的理论值与试验值基本吻合,佐证了模型的合理性。(3)建立了渗流应力耦合流变模型,通过C++与FISH语言编程对有限差分软件进行二次开发,将非线性黏弹塑性混合元流变模型嵌入软件中。对自定义模型与软件自带流变模型进行了不同条件下的对比,结果显示本文提出的流变模型能够更加准确地描述真实的蠕变过程。(4)考虑到实际工程中在裂隙发育较强甚至破碎的岩体中的渗流表现出明显的非Darcy效应,因此,分析了此类介质中一维非Darcy渗流线性稳定性问题。采用简正模态分析方法从理论上给出了压力场速度场在稳定状态下受到扰动或破坏时,整个控制系统相对于不同渗流参数的动力学响应,讨论了Darcy偏离因子的取值对稳定性的影响。(5)考虑到岩体中存在有不同程度的裂隙,因此采用双重介质模型,建立了此类介质中的渗流应力耦合流变模型。结合有限元计算原理分析了模型的有限元计算格式、求解方法和计算过程。采用有限元软件对模型进行了数值模拟。(6)在前述理论研究基础上,采用本文提出的双重介质渗流应力耦合流变模型对大岗山水电站开挖过程进行了数值计算,模拟了复杂应力状态下的岩体工程的开挖流变特性。
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