（岩土工程专业论文）长大深埋隧洞围岩非定常剪切蠕变模型初探.pdf

摘要 岩石流变力学特性作为岩石重要的力学特性之一，与岩土工程长期稳定性紧 密相关。工程实践与研究表明，岩体的失稳破坏与时间密切相关。锦屏二级水电 站利用雅砻江1 5 0 k m 大河弯的巨大天然落差裁弯取直，开挖隧洞引水发电，隧 洞具有洞线长、洞径大、埋深极大的特点。此外，隧洞处于高地应力与高外水压 力区。隧洞开挖区岩石的流变特性直接影响着锦屏二级水电站的长期稳定性，因 此，对开挖区域内的岩石进行直接剪切流变实验研究，对深入了解岩石的流变特 性与工程的长期稳定性具有重要的积极作用。 国内外的岩石力学工作者对岩石流变力学特性作了大量研究，建立了很多流 变模型。但是，这些研究成果大多没有考虑模型流变参数的时间相关性。b u r g e r s 模型是一种四元件模型，它具有瞬时弹性应变，可以反映岩石蠕变初期蠕变和稳 定蠕变阶段的蠕变特性。本文在b u r g e r s 元件模型的基础上通过对大理岩、板岩 直接剪切蠕变实验数据进行定常参数拟合分析与非定常参数拟合分析，得出了以 下结论： 1 定常参数拟合对于不发生加速蠕变的试样可以取得较好的拟合效果，但 是拟合误差较大，特别是在稳定蠕变阶段蠕变速率很小的情况下。因此，为了减 小拟合误差，提高拟合精度，有考虑参数的时间相关性的必要性，并将g k 确定 为非定常参数。 2 提出非定常参数g 。的具体表达式，建立非定常蠕变方程，对剪切蠕变试 验数据进行非定常参数拟合分析。拟合分析结果表明，参数g 。接近于以加载瞬 间产生的瞬时应变计算得到的理论值。 3 非定常参数拟合可以较大程度的提高拟合的精度，减小拟合误差，特别是 对于等速蠕变阶段蠕变速率很小的情况改善效果更是明显。 关键词：围岩剪切蠕变b u r g e r s 模型定常参数非定常参数 a b s t r a c t a b s t r a c t r h e o l o g i c a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fr o c k i t sr e l a t e d c l o s e l y w i m l o n g - t i m es t a b i l i t y o f r o c k e n g i n e e r i n g s e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n ds t u d i e si n d i c a t et h a td e s t a b i l i z i n gf a i l u r e so f r o c km a s si sr e l a t e dc l o s e l yw i t ht i m e t h ej i n p i n gh y d r a u l i cp o w e rp l a n tc u r v e c u t - o f ft h ey a l o n gr i v eg r e a tf i v e rb e n dw i t l l1 5 0 k ml o n ga n dh u g en a t u r a ld r o pt o e x c a v a t et u n n e lt og e n e r a t ee l e c t r i c i t y t h et u n n e li sv e r yl o n g ，g r e a ta n dd e e pb u f f e d o t h e r w i s e ，t h ea r e aw h e r et h et u n n e li ni sa l la r e ao fh i g ht e r r e s t r i a ls t r e s sa n dh i g h e x t e r n a lw a t e rp r e s s u r e t h er h e o l o g i c a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr o c km a s s a r r o u n dt h et u n n e lw i l le f f e c tt h el o n g - t i m es t a b i l i t yo fj i n p i n gh y d r a u l i cp o w e r p l a n t s oi t si m p o r t a n tt os t u d yo nr o c ks a m p l e sf r o mt h ea r e ao fe x c a v a t i o nw i t hd i r e c t s h e a rc r e e pe x p e r i m e n tf o ru n d e r s t a n d i n gr h e o l o g i c a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f r o c ka n dt h el o n g - t i m es t a b i l i t yo f j i n p i n gh y d r a u l i cp o w e rp l a n td e e p l y t h er o c km e c h n i c sr e s e a r c h e r sh a ss t u d i e do nr o c kr h e o l o g ya n db u i l tm a n y r h e o l o g yc o n s t i t u t i v em o d e l s b u tm o s to ft h e s es t u d i e sd i d tt a k et i m e d e p e n d e n c eo f r h e o l o g yp a r a m e t e r si n t oa c c o u n t t h eb u r g e r sr h e o l o g ym o d e li sar h e o l o g ym o d e l w i t hf o u re l e m e n t s i tr e f e c t st h ei n s t a n te l a s t i cs t r a i no fr o c ka n dt h er h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fr o c ko ft h ef i r s ta n ds e c o n dc r e e pp h a s e t h r o u g hf i t t i n gw i t h c o n s t a n tp a r a m e t e r so rp a r a m e t e r st i m e d e p e n d e n tw i t hd a t ao fd i r e c ts h e a rc r e e p e x p e r i m e n t so nm a r b l e ，w ec o n c l u d et h a t ： 1 t h er e s u l t so ff i t t i n gw i t hc o n s t a n tp a r a m e t e r sw i t l ld a t ao fs a m p l e sw h i c hh a v e n oc r e e pp h a s eo fa c c e l e r a t i o na r eg o o d b u tt h ee r r o ri sb i g ，e s p e c i a l l yw h e nt h e c r e e pr a t ed u r i n gs t a b l ec r e e pp h a s e s oi t sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c eat i m e - d e p e n d e n t p a r a m e t e r t om i n i s h f i t t i n g e r r o ra n da d v a n c e f i t t i n ge f f e c t s oi n t r o d u c ea t i m e - d e p e n d e n tp a r a m e t e rg k 2 i n t r o d u c i n ge x p r e s s i o no ft i m e - d e p e n d e n tp a r a m e t e rg k , f i tw i t hd a t ao fc r e e p e x p e r i m e n t s t h ef i t t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep a r a m e t e rg m i sv e r ya p p r o x i m a t et o t h et h e o r e t i c a lv a l u ec a l c u l a t i n gw i t hi n s t a n te l a s t i cs t r a i n 3 t h ea c c u r a c yi sa d v a n c e db yl a r g ed e g r e e sa n dt h ee r r o ri sm i n i s h e db yf i t t i n g w i t i lt i m e - d e p e n d e n tp a r a m e t e r s e x p e c i a l l yt h es a m p l e sw i t hv e r ys m a l lc r e e pr a t e d u r i n gt h es e c o n dc r e e pp h a s e k e y w o r d ：w a l lr o c k , s h e a rc r e e p ，b u r g e r sr h e o l o g ym o d e l ，c o n s t a n tp a r a m e t e r , t i m e - d e p e n d e n tp a r a m e t e r 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月9 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ；2 0 0 7 年6 月9 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 岩石力学特性是岩石力学的主要研究对象，也是岩石工程必须面对的基本问 题。覆盖于地球表面的岩石，是人类赖以生存和发展的立足之地。为了更好地利 用这些岩石为人类服务，防止或减小与岩石相关的自然灾害，如岩体滑坡、地基 失稳、坝基开裂以及矿柱岩爆等等，人们从强度、变形以及损伤、断裂和破坏等 各个方面对岩石力学特性进行了深入而持久的研究，并取得了许多重要的研究成 果【l q l 岩石作为自然界的一种天然材料，人们对其力学特性的研究，是随着各 项岩石工程的大规模兴建而逐渐展开的。我国著名的都江堰水利工程、闻名全球 并被誉为世界八大奇观之一的万里长城、由北京直达杭州的古老运河以及埃及的 金字塔和意大利的比萨斜塔等等，都是这方面代表性的佳作。当时，先辈们还没 有建立岩石力学的概念，仅凭借丰富的实践经验进行设计施工。此后，随着各项 经济建设事业的迅速发展，各种基础设施工程建设进一步加快，特别是西部大开 发实施，南水北调工程、长江三峡工程以及黄河小浪底工程等重大水利水电工程 项目的相继开工建设使得各类岩土工程项目不仅越来越多，而且朝着更大、更深 方向发展。这些重大工程项目的兴建极大地促进了对岩石力学特性的研究，同时 人们也越来越深刻地认识到岩石材料的天然复杂性，如非均质性、各向异性以及 不连续性等等。而正是由于岩石是一种复杂的工程介质，目前人们对其力学特性 行为仍不能进行准确且有效地预测和控制，从而使得世界范围内岩土工程灾害仍 然发生频繁。 岩石流变力学特性作为岩石重要的力学特性之一，与岩土工程长期稳定性紧 密相关。工程实践与研究表n 4 4 1 ，岩体的失稳破坏与时间密切相关。锦屏二级 水电站位于四川凉山雅砻江于流之上，装机容量4 4 0 0 m w ，属一级大型工程。电 站由首部低闸、引水隧洞、地下厂房三部分组成。电站利用雅砻江1 5 0 k m 大河 弯的巨大天然落差裁弯取直，开挖隧洞引水发电。隧洞洞长1 6 1 9k m ，洞径l l m ， 一般埋深1 5 0 0 2 0 0 0m ，最大埋深2 5 0 01 1 1 ，属洞线长、洞径大、埋深极大的大型 引水隧洞，此外，隧洞所在区域还存在着高地应力和高外水压力。工程区内出露 的地层为前泥盆系一第四系的一套浅海一滨海相、海陆交替相地层。区内三叠系广 布，构成大河弯内雄伟的锦屏山，分布面积约占9 0 9 6 以上，其中碳酸盐出露面积 河海大学硕士学位论文 占7 0 8 0 。分布的地层有前泥盆系( a n d ) 、中泥盆统( d 。) 一上三迭统( t ，) 、侏罗系 下统( j ) 、新生界及岩浆岩等。而引水隧洞所穿越的地层则以三迭系中下统的碳 酸盐岩( t l 、盐塘组t 。白山组t 。，杂谷脑组t 。) 为主、次为三迭系上统t 3 的砂岩、 板岩等。因而，大理岩、砂岩、板岩等的流变力学特性直接影响着锦屏二级水电 站深埋隧洞的长期稳定性，如何建立恰当的流变本构模型来描述和模拟岩石的力 学特性与时间之间的关系，就显得尤为重要。目前，岩石力学研究工作者们建立 了许多岩石流变本构模型，但是由于岩石材料的复杂性，岩石内部存在的不同类 型、不同尺度的微裂纹、微缺陷及其产生、扩展以及汇合，还有岩石所处的应力 环境如地应力、外水压力等，对岩石的流变力学特性都有很大的影响，要建立能 恰当的描述岩石流变力学特性的本构模型仍有很多研究工作要做。因此，对锦屏 深埋隧洞围岩进行直接剪切流变实验研究，建立适合的流变模型，对深入了解围 的流变力学特性与工程的长期稳定性具有重大工程与理论意义。 1 2 国内外研究现状 牛顿最早( 1 8 6 7 ) 研究了流体的粘滞特性。他确定了“液体颗粒未充分滑动” 时，液体对流动的抵抗力与质点相互位移的剪切速度成正比，粘滞性流动在大于 零的任意剪应力下产生，且以固定速度，= d y d t = 常数发展。此速度与剪应力成 正比，由此提出了理想粘滞性液体或牛顿液体的概念【”i 。b o l t z m a n ( 1 8 7 4 ) 【1 6 1 7 1 提出了线粘弹行为的描述；d w h o b b s ( 1 9 0 9 ) 【l8 l 研究了七种岩石单轴压缩的应力 应变时间的关系，并给出了轴向的应变一时间关系式；g r i g g s ( 1 9 3 9 ) 1 1 9 】对灰岩页 岩和砂岩等岩石进行蠕变试验，指出砂岩和粉砂岩等岩石中，当载荷达到破坏荷 载的1 2 5 - 8 0 ，就发生蠕变的观点；m a t s u s h i m a ( 1 9 6 0 ) 唧l 和j e a g e r ( 1 9 7 9 ) 1 2 1 对 花岗岩和大理岩进行了单轴流变试验研究；v a l a n i s k c ( 1 9 7 1 ，1 9 8 1 ) 2 z - z 3 提出了 内时理论，认为塑性和粘塑性材料内任一点的现时应力状态是该点邻域内整个变 形和温度历史的泛涵，变形历史用取决于变形中材料特性和变形程度的内蕴时间 来量度，通过对由内变量表征的材料内部组织的不可逆变化，必须满足热力学约 束条件的研究，得出内变量的变化规律，从而给出显式的本构方程； d m c r u d e n ( 1 9 7 4 ) 1 2 4 提出单轴压缩岩石中的蠕变是由于岩石中己经存在的裂隙 的发育引起的并且给出了应力与时间的关系式；a r d e s h i r a f r o u z 等( 1 9 7 4 1 【2 5 】对软 岩及中等强度岩石的流变现象做了详细的分析并给出了较全面的应变一时间的 2 第一章绪论 表达式；d p s i n g h ( 1 9 7 5 1 【2 6 】通过试验发现大理石的轴向和侧向的蠕变曲线皆存在 三个阶段并且傩向的蠕变速率远远大于轴向，并且提出当受到高于屈服强度的应 力时，幂函数形式的曲线最适合于大理石蠕变的第二阶段；k r a n z r l ( 1 9 7 9 ) 1 2 7 1 用s e m 方法研究了b a n e 花岗岩在8 7 的断裂强度荷载作用下裂纹的蠕变扩展， 发现在外荷载作用下，裂纹长度和裂纹数随时间增加，且随时问的延长，裂纹之 间、裂纹与空洞之间的相互作用加剧，而在加速蠕变阶段，裂纹之间的连接、归 并比单一裂纹的扩展更为重要；s a k u r a i s ( 1 9 8 3 ) 【2 8 】提出弹性岩体等效弹性模量和 原岩地应力场的有限元位移反分析算法；h u n s c h e u ( 1 9 8 5 ) z g 和p l i s c h k e i ( 1 9 8 9 ) 1 3 0 1 在现场对长1 5 米高4 米的两个岩盐矿柱进行了长期蠕变试验研究，结果表明， 室内小尺寸岩样的蠕变试验结果与两个大矿柱的蠕变试验结果定性上相吻合，即 可用相同的流变力学模型和本构方程来描述；k m u s t s u t o ( 1 9 8 6 ) 1 3 1 1 将摄动法和有 限元法结合起来对弹粘塑性问题进行了研究；i t o h ( 1 9 8 7 ) t 3 2 】对花岗岩进行了历时 三十年的弯曲蠕变试验研究，结果表明，花岗岩呈粘滞流动而没有屈服应力： w s z y s z k o w s k i ( 1 9 8 7 ) 1 3 3 1 等提出一种描述蠕变第一和第二阶段的非线性遗传型本 构模型；h w e b e r ( 1 9 8 8 ) 1 3 4 1 等对粘弹性材料提出了一种基于不同变形历史松弛试 验的参数辨识方法；e t b r o w n ( 1 9 8 9 1 3 5 1 等研究了第三主应力对弹性模量的影响 并给出其关系式；m r i d e s 等( 1 9 8 9 ) 1 3 6 1 对损伤材料在蠕变过程中弹模的变化做了 深入分析并给出变化弹模的表达式；k e c h o n g 等( 1 9 9 0 ) 3 7 1 对不同应变速率对弹 模和泊松比影响做了定量的分析，并加以对比，认为应变速率对弹模的影响程度 远大于对泊松比的影响：h a u p t m ( 1 9 9 1 ) 1 3 8 】研究了盐岩的应力松弛特性，指出在 整个应力松弛过程中，其内部的细观结构保持不变，应力松弛能反映盐岩内部的 粘性效应：a u b e r t i n m ( 1 9 9 1 ) 刚建立了盐岩以内部状态变量表述的蠕变方程，蠕 变方程可推广到可塑性区域，以适应低孔隙率软岩的半脆性特性，同时引入损伤 变量，建立了新的流变模型，可描述软岩在硬化和软化过程中的半脆性特性，还 能用于延性和脆性范围；k o r z e n r o w s k i w ( 1 9 9 1 ) 湖l 对因环境条件恶化致使岩体中 裂隙随时间不断蠕交、演化，进而产生宏观断裂扩展，最终导致岩体由局部破坏 发展到整体失稳过程进行了探讨；c h a n k s ( 1 9 9 2 ) 1 4 1 】和f o s s u m a f ( 1 9 9 3 ) 【4 2 1 将连 续介质损伤力学应用于盐岩的流变分析中，研究了损伤引起的非弹性流动，从过 渡到蠕变阶段开始，并在加速蠕交阶段损伤累积，直至破坏的过程；y i i w e np a n 河海大学硕士学位论文 等( 1 9 9 4 ) 【4 3 】对巷道喷射混凝土支护弹模随时间的变化做了定量的描述，并给出其 关系式；t h o m a s w s t r g a n a c 等0 9 9 6 ) 1 4 4 利用混合法对非线性粘弹性材料的力学 行为进行了研究，在文中作者利用蠕变试验和动力学试验综合分析了合成材料的 本构关系；z a m a n m ( 1 9 9 7 ) 1 4 5 l 采用优化技术对页岩的流变本构模型及其力学参数 进行了辨识；h a r r y h h i l t o n ( 1 9 9 8 ) 1 4 6 l 对各向同性、各向异性粘弹性材料的泊松比 与时间和应力水平的关系进行了研究；f u j i i y ( 1 9 9 9 ) t 4 7 1 列 花岗岩和砂岩进行了三 轴蠕变试验后，分析了轴向应变、环向应变和体积应变三种蠕变曲线，同时指出 环向应变可以用来作为蠕变试验和常应交速率试验中的判断岩石损伤的指针； h o u - l u x ( 2 0 0 0 ) l 鹌】在l u b b y 2 流变模型基础上，采用连续介质损伤力学，也提出了 考虑盐岩的延展性变形、变位、变形硬化和变形恢复、损伤及损伤复原机制的模 型，并成功应用于有毒及放射性废料存储工程中，但该模型也很复杂，参数也较 多。 国内，黎克( 1 9 8 3 ) 4 9 对岩体中泥化夹层进行了流变试验研究，提出了其长 期强度的确定方法；谢平- ( 1 9 8 7 ) t 5 0 l 对岩石蠕变损伤迸行了非线性大变形有限元 分析；夏才初( 1 9 9 0 ) i5 1 l 通过对锡矿山南矿页岩三组不同尺寸试件进行单轴压缩蠕 变试验研究，对岩石流变性的尺寸效应进行了探讨结果表明，岩石流变特性是具 有尺寸效应的，不同尺寸岩石试件均可用相同的流变力学模型和本构方程来描 述，但不同尺寸岩石之间的流变模型参数的数值存在较大差异，岩石的瞬时弹性 模量和粘弹性模量均随试件尺寸增大而呈幂律衰减关系，而岩石的粘性变形能力 贝q 随试件尺寸的增大而增强，据此可以利用模型参数随尺寸的变化规律来外推岩 体流变力学模型参数，从而供岩体工程稳定性分析用；徐平( 1 9 9 2 ) t 5 2 】和夏熙伦 ( 1 9 9 6 ) t 5 3 】分别介绍了有关长江三峡花岗岩及岩体结构面蠕变试验研究成果及基 于监测资料的蠕变参数反演成果，同时分析了船闸高边坡岩体时效特征的长期稳 定性，探讨了岩体流变参数对边坡稳定的敏感性；朱合华( 1 9 9 2 ) 【5 4 l 提出了粘弹性 模型的摄动反演方法；凌建民( 1 9 9 3 ) 1 5 5 】通过单轴或多轴试验证明，岩体体积应变 具有显著的时效特征，是轴向应力和围压之差导致的。同时通过电镜扫描分析证 明，蠕变裂隙扩展既是蠕变变形的重要组成部分，又与损伤的逐渐累积有关；杨 延毅( 1 9 9 4 ) p 6 】分别就开挖面附近卸荷裂隙扩展特征，建立了相应损伤断裂力学分 析模型，用来描述应力转移及重分布而引起岩体的蠕变断裂性态；李晓( 1 9 9 4 ) 1 5 7 1 4 第一章绪论 利用m t s 8 1 5 0 2 电液伺服试验机，采用加载一稳压伺服控制方式，对泥岩峰后 区进行了三轴压缩蠕变试验，首次得到了泥岩试件的峰后蠕变特性曲线，研究结 果表明，岩石峰后蠕变曲线由等速稳态蠕变和加速蠕变两阶段组成，且属于不稳 定蠕变类型，蠕变速率比峰前岩石材料高2 3 个数量级，轴向和围压的微小改变 都将对峰后蠕变特性产生显著影响；陈智纯( 1 9 9 4 ) 侧和缪协兴( 1 9 9 5 ) 基于岩石 蠕变试验结果，总结出了以能描述损伤历史的蠕变模量为参数的岩石蠕变损伤方 程，由该方程能方便定出任意蠕变时刻的损伤状态和测定蠕变损伤；邱贤德 ( 1 9 9 5 ) 岬噪用自行设计的杠杆式流变仪，对长山和乔后岩盐的蠕变、松弛和弹性 后效流变力学特性进行了试验研究，指出长山岩赫的变形受位错及晶闻界面的控 制，在长期蠕变中以位错滑移为主，该岩盐主要呈现脆性破坏，而乔后岩盐是一 种复杂的粘弹塑性体，屈服应力很低，最后基于试验结果，建立了单向应力状态 下最大应变破坏准则；李永盛( 1 9 9 5 ) 研究了单轴压缩条件下，四种岩石的蠕变 和松弛试验，总结了岩石的变化规律，认为在一定水平的定常应力作用下，岩石 材料一般都出现蠕变速率减小、稳定和增大三个变化阶段，但各阶段的出现与否 及其延续的时间，则与所观测的岩石性质和所施加的应力水平有关；郭志 ( 1 9 9 6 ) 6 2 坷1 通过分析软岩流变速度与作用荷载之间的关系，提出确定临界等速流 变应力的方法和流变强度取值原则；郑榕明等( 1 9 9 6 ) 1 6 4 提出将非线性流变本构关 系分为理论模型的线性流变部分和室内试验补充修正的非线性流变部分的半经 验半理论的计算模型；刘保 ( 1 9 9 7 ) 6 5 1 研究了岩体粘弹，粘塑性本构模型的辨识 的原理及其工程应用；许宏发( 1 9 9 7 ) 6 6 1 对软岩强度和弹模的时间效应进行了研 究，给出定量的关系式；金丰年( 1 9 9 8 ) 瞄】对岩石的时间效应从试验到理论进行了 深入的分析，讨论了应变速度、载荷速度对岩石强度的影响，提出了可变模量的 非线性本构方程；杨春和( 1 9 9 f 1 3 ，6 7 l 指出盐岩在整个应力松弛试验过程中，其横 向应变近乎是常数，也即体应变保持不变，且盐岩预蠕变对应力松弛具有较大的 影响，盐岩的最低蠕变极限是存在的，并进一步指出指出盐岩稳定蠕变率仅是应 力状态的函数而与加载历史无关，初始蠕变极限可以表示成稳态蠕变率的线性函 数；肖洪天( 2 0 0 0 ) 【醯】建立了裂隙岩体的损伤流变本构模型，并采用该模型对长江 三峡永久船闸高边坡的稳定性进行了分析；赵法锁( 2 0 0 1 ) 1 6 9 l 对边坡石膏角砾岩的 流变力学特性进行了单轴和三轴压缩试验研究，提出应注意水和结构对岩石流变 河海大学硕士学位论文 力学特性的影响，同时他还对破坏后的岩样进行了电子显微镜扫描分析，从微细 观分析了石膏角砾岩的流变破坏机理；高玮( 2 0 0 1 ) 7 0 噪用进化神经网络对地下洞 室围岩进行了弹塑性模型参数及物性参数的反演，并结合有限元计算对岩上流变 本构模型及其参数进行了辨识；刘绘新( 2 0 0 2 ) 【7 l 】研制了能加温加压的常规三轴蠕 变实验装置，对深层盐岩进行了常规三轴蠕变试验，探讨了温度和围压对盐岩蠕 变特性的影响关系，指出围压越大，变形率越小，进入稳态蠕变和加速蠕变的时 间越晚，第1 i 阶段越明显，越不容易进入加速蠕变阶段，而温度越高，发生稳定 蠕变和加速蠕变的时间越早，岩石的长期强度越低，越容易进入加速蠕变阶段； 邓荣贵( 2 0 0 2 ) 7 习根据岩石加速蠕变阶段的力学特性，提出了一种非牛顿流体粘滞 阻尼元件，将该阻尼元件与描述岩石减速蠕变和等速蠕变特性的传统模型结合， 构成了新的综合流变力学模型；吕爱钟、t 志坤( 2 0 0 3 ) 7 3 ，7 4 】对岩石单轴压缩蠕变 进行了粘弹性非定常分析；刘光廷( 2 0 0 4 ) 【7 5 荆用岩石双轴流变试验机，对砾岩进 行了多轴流变试验研究，探讨了干燥和饱水两种状态下以及不同侧压下砾岩的流 变力学特性，并将研究成果应用于拱坝的稳定分析中。 1 3 本文主要研究内容 现阶段岩石流变研究中较少考虑流变参数的时间相关性。实际情况中，岩石 的力学参数受很多因素的影响，如岩体结构、成分、颗粒的大小、水、风化等， 在这些参数发生变化时，力学参数也将发生变化。为了更好的研究岩石的流变特 性，有必要考虑参数的时间相关性。 本文结合大理岩直接剪切蠕变实验，主要开展了以下工作： 1 分析实验数据，进行流变模型辨识。 2 利用b u r g e r s 模型，结合大理岩直接剪切蠕变实验数据验证引入非定常参 数的必要性。 3 通过对定常参数拟合结果的分析，确定非定常参数。 4 进行非定常参数拟合，分析非定常参数的引入对拟合效果的影响。 6 第二章工程地质概况与岩石剪切蠕变实验 第二章工程地质概况与岩石剪切蠕变实验 2 1 工程地质概况 锦屏二级水电站位于四川凉山雅砻江干流之上，装机容量4 4 0 0 m w ，按水 利水电枢纽工程等级划分及设计标准，属一等工程，工程规模为大型，隧洞须 按一级建筑物设计。电站由首部低闸、引水隧洞、地下厂房三部分组成。电站利 用雅砻江1 5 0 k i n 大河弯的巨大天然落差裁弯取直，开挖隧洞引水发电。隧洞洞 长1 6 1 9k m ，洞径1 3 m ，一般埋深1 5 0 0 2 0 0 0i n ，最大埋深2 5 2 5n l ，属洞线长、 洞径大、埋深极大的大型引水隧洞。隧洞围岩岩性组合复杂，断裂构造发育，特 别重要的是该区为高地应力区，同时该区还有高外水压力作用。现已测得最大应 力达4 2 1 1 m p a ，经回归分析沿洞线最大应力可达5 4 m p a 。根据长探洞封堵后的 水压力观测，其最大水压力达1 0 2 2 m p a ，而根据三维渗流场计算分析，隧洞最 大外水压力值在i o m p a 左右。 工程区内出露的地层为前泥盆系第四系的一套浅海滨海相、海陆交替相地 层。区内三叠系广布，构成大河弯内雄伟的锦屏山，分布面积约占9 0 以上，其 中碳酸盐出露面积占7 0 8 0 。分布的地层有前泥盆系( a n d ) 、中泥盆统( d 2 ) 上三 迭统( t 3 ) 、侏罗系下统( j 1 1 、薪生乔及岩浆岩等。而引水隧洞所穿越的地层则以三 迭系中下统的碳酸盐岩( t l 、盐塘组t 2 ”白山组t 2 b 、杂谷脑组t 2 z ) 为主、次为三 迭系上统t 3 的砂岩、板岩等。岩层陡倾，其走向与主构造线方向一致。 工程区在大地构造上处于松潘甘孜地槽褶皱带的东南部，白垩纪末之四川运 动受n w w s e e 向应力场控制，形成规模较大的轴向n n e ，向s 倾伏的复式 紧密褶皱以及走向为n n e 向的高倾角压性或压扭性断层，并伴随有n w w 向的 张性或张扭性断层。自西向东主要的褶皱构造有解放沟复式向斜，核部为三迭系 上统的砂岩、板岩组成；老庄子复背斜，核部由中三迭统盐塘组( 1 ) 构成，两翼 为白山组( t 2 b ) 地层，产状较对称，总体向南倾伏；养猪场复向斜，由上三迭统f r 3 ) 砂岩、板岩组和中三迭统( t 2 b ) 大理岩组成，大水沟一带由盐塘组( t 2 v ) 地层构成一 系列向西倾倒的复式褶曲。区内断层构造按其形迹和展布方位分为四个构造组： n n e 向、n n w 向、n e n e e 向、n w n w w 向( 均以陡倾角为主) 。其中以 n n e 向和近e w 向较为发育。主要断层有：f 2 断层( 棉纱湾安砂坪断层) ，f 3 断层、f 4 断层( 青纳断层) 、f 5 断层( 拉纱沟一碗水断层) 、f 6 断层( 锦屏山断 7 河海大学硕士学位论文 层) 、f 7 断层、f 8 断层( 上手爬正平移断层) 、f 9 断层、f l o 断层( 甘家沟民胜乡 断层) 、f l l 断层( 老庄子逆断层) 、f 1 2 断层、f 1 4 断层( 联合乡模萨沟1 ：3 断层) 、 f 1 6 断层( 周家坪横断层) 、f 1 7 断层、 f 1 8 断层( 菸房村北断层) 、f 2 2 断层、f 2 5 断层、f 2 6 断层等。 根据引水隧洞的地质围岩分类预测，隧洞大部分洞段以i i i i i 类围岩为主， 约占8 2 7 ，岩石坚硬完整致密，单轴湿抗压强度5 5 1 1 4 m p a ，弹模2 5 4 0 x 1 0 3 m p a ，变模8 1 6 x1 0 3 m p a 。断层破碎带穿越洞段所属的v 类围岩约占 4 6 。因此，围岩的自稳承载能力强，成洞条件较好。 2 2 岩石剪切蠕变实验 2 2 1 实验设备及试样制作 直接剪切流变实验主要在岩石直剪流变仪上进行，岩石直剪流变仪的主要结 构如图2 1 所示，垂直千斤顶用于对岩石施加法向荷载，水平千斤顶用于对岩石 施加剪切荷载，含岩石试样预先用水泥浇筑于剪切盒内，下剪切盒固定在基座上， 岩石位于上下剪切盒之间。本实验采用气液加载方式，由人工操作，避免停电 的影响。采用储能器进行稳压，当变形增加引起压力降低时，储能器可起到自动 调节补压作用。剪切荷载通过水平千斤项施加于上剪切盒之上，法向荷载通过垂 直千斤顶施加于上剪切盒，为了使上剪切盒自由移动，在垂直千斤顶的钢板与上 剪切盒之间设置了刚性滚轴。在上剪切盒的中间两侧各设置一个剪切位移测量 点，采用千分表测量上剪切盒的位移，也就是岩石中间面的剪切位移。 下剪切盒 图2 1 岩石节理面剪切流变试验装置 第二章工程地质概况与岩石剪切蠕变实验 岩石试样的制取采用现场采集，并进行现场浇注和养护的方法，采集过程中 尽量避免扰动岩石。运回实验室后切割成7 0 m i n x 7 0 m m x l 5 0 r a m 的试样，再用 混凝土浇成1 5 0 m i n x1 5 0 n u n x l 5 0 m m 标准尺寸，中间预留l o m m 左右的剪切缝。 然后将试样浇注到剪切盒内进行剪切试验。 2 2 2 试验步裂7 6 】 试验过程中尽量保持实验室的恒温恒湿环境，避免周围环境的振动和干扰。 先对岩石进行快剪试验，取得不同法向荷载下的剪应力破坏值，得到岩石快 剪的c 、妒值。根据快剪试验结果( 如表2 1 所示) ，确定剪切流变试验的正压力 和剪切荷载分级。流变剪切试验在c y l 1 2 0 多功能岩石流变试验机进行，按照 水利水电工程岩石试验规程( s l 2 6 4 2 0 0 1 ) 方法，首先对试样施加一恒定的 法向荷载，然后由低到高分级施加长期的剪应力9 ，获得一组不同剪应力水平下 的剪位移时间关系曲线，各级剪应力历时9 天左右。 表2 1 快剪实验结果 法向应力剪应力内摩擦角凝聚力 岩石名称 o ( 酽a )t ( m p a )巾c ( 伊a ) 26 8 2 49 8 6 大理岩 6 1 2 3 45 3 1 04 2 4 81 4 3 9 l o1 7 5 8 25 5 6 47 9 6 板岩 61 0 6 74 9 1 03 3 4 8 1 2 1 5 1 01 4 8 2 剪切流变实验过程： 1 首先施加一恒定的法向应力( 大理岩分别取2 m ，4 m ，6 m ，8 m ：板岩 则分别取4 m ，8 m ) ，读取变形数据，当法向变形稳定时开始施加剪应力。 2 剪应力至少分五级加载，并保证施加最后一级剪应力时岩石出现蠕变破 坏。 9 河海大学硕士学位论文 3 每施加一级剪切荷载时立即测读瞬时位移，然后于一定时间间隔内测读 剪切蠕变值，变形初期加密观测次数。在趋于基本稳定时，每隔1 2 小时读取数 据一次。 4 在实验过程中要不断调整法向荷载和剪切荷载，使之保持稳定。 5 当剪切位移速率小于5 x1 0 4 m m d 时，表明岩石的剪切蠕变变形已经趋 于稳定，开始施加下一级剪切荷载。 6 施加最后一级剪切荷载时，当发现剪切蠕变位移随时间有迅速增长的趋 势时，则应当增加观测次数以反映最后的蠕变破坏阶段。 根据测取蠕变变形量，得出每一级正压力q 和剪应力f f ，下的剪切蠕变变形y 和时间r 的关系。在实验过程中要根据变形情况对剪应力j j 进行适当的调整，在 最后一般要增加等级，以使在最后一级剪应力毛时获取试验逐步破坏的- t 曲 线。 2 2 3 大理岩直接剪切蠕变实验结果 图3 2 图3 7 分别是大理岩在法向荷载为2 m p a ，4 m p a ，6 m p a ，8 m p a 和板 岩在法向荷载为4 m p a ，8 m p a 的情况下不同剪切应力水平下的应交一时间曲线。 0 0 2 8 0 0 2 6 0 0 2 4 0 0 2 2 卜 0 0 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 0 t m ) 图2 2 吒= 2 m p a 时大理岩剪切蠕变曲线 i o 第二章工程地质概况与岩石剪切蠕变实验 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 2 5 0 0 2 0 0 。0 1 5 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 5 01 0 01 5 0 2 0 0 t ( h ) 图2 3 = 4 m p a 时大理岩剪切蠕变曲线 05 0 1 0 01 5 02 0 0 t ( h ) 图2 4o j = 6 m p a 时大理岩剪切蠕变曲线 河海大学硕士学位论文 o 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 o5 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 tq 1 ) 图2 5d j = 8 m p a 时大理岩剪切蠕变曲线 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 图2 6d j = 4 m p a 时板岩剪切蠕变曲线 1 2 第二章工程地质概况与岩石剪切蠕变实验 0 0 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 0 8 0 0 0 4 0 0 0 0 0 1 0 02 0 03 0 04 0 0 t o a ) 图2 7a 二= 8 m p a 时板岩剪切蠕变曲线 由图2 2 2 7 可以看出： 1 ) 岩石试样在施加剪应力或者从一级剪应力到下一级剪应力的瞬间，试样 发生了瞬时剪切应变。 2 ) 在多数情况下，岩石试样只有第一和第二阶段蠕变，蠕变具有稳定性。 河海大学硕士学位论文 第三章岩石剪切蠕变实验数据定常分析 3 1 引言 到目前为止，己提出的岩石力学本构模型其种类很多，表达形式和适用范围 也各不相同，主要有元件流变模型，经验公式等。流变模型应该能基本上反映所 描述的岩体的应力、应变与时间的关系。合理的本构模型应该建立在对某一材料 进行蠕变和应力松弛试验的基础上来适当地加以选用。其中，元件流变模型方法 概念清楚，模型参数物理意义明确，数学推导容易，易于理解，己在实际工程计 算中得到了广泛的应用。因此，本文也拟采用元件流交模型。 3 2 流变模型的选择 3 2 1 常见元件模型1 4 , t 习 ( 1 ) k e l v i n - - v i o g t 模型( h k 模型) f 垒旦 冒mf x 几 冒h 0 ( a ) k e l v i n - v i o g t 模型( b ) 蠕变曲线 图3 1k e l v i n - - v i o g t 模型 h k 模型如图2 6 所示，其蠕变方程为： 占：争+ 争( 1 一。一嚣) e he x 、 。 t ( 3 1 ) 由式( 3 1 ) 可知，当f = o 时，h k 模型有瞬时应变s 2 嚣而当卜时有 占专导+ 争，即在f j o o 时应变将趋近于二弹性元件串联情况下的应变值。可 止h也 见，h k 体有推迟全部弹性应变出现的作用。 式( 2 1 5 ) 两边对时间t 求导，则h k 模型的蠕变速率为： 1 4 23 坠珊 一 = s 第三章岩石剪切蠕变实验数据定常分析 可见，当时间t 增大时，蠕变速率占逐渐减小，这说明h k 模型符合岩石初期 蠕变阶段的特征。我们知道，蠕变与所加应力的大小有很大关系，当应力较小时， 蠕变将逐渐趋于稳定；当应力水平低于蠕变下限时，则不产生蠕变，也即稳定蠕 变阶段蠕变速率为0 4 7 7 j 。而当，寸0 0 时有s 专0 ，这说明当时间较大时h k 模型可以近似描述较低应力条件下特别是应力接近于蠕变下限时的稳定蠕变阶 段。 ( 2 ) p o y n t i n g - - t h o m s o n 模型，简称p t 模型 f 函 牙h o ( a ) p - t 模型( b ) 蠕变曲线 图3 2p o y n t i n g - - t h o m s o n 模型 p t 模型如图2 7 所示，其蠕变方程为： s ：鱼一鱼鱼。靛古 e he n l e + e n l t ( 3 3 ) 由上式可知，当t - - - o 时p t 模型有瞬时应变= 苦一捣。当时间t 增大时，应变s 随之增大，且当，一。o 时，f 寸拿，即当f _ 。时，应变趋近于 - h 只有弹性元件目时的情形。这表明p - - t 模型也具有推迟特性。 由式( 2 2 0 ) 可得p - - t 模型的蠕变速率： ；= ( 忐o o 器寺 ， 由式( 3 2 ) ( 3 4 ) 可知，p - - t 模型与h - - k 模型的蠕变速率方程具有相同的形 式：6 = a e 一。因此，p - - t 模型也可以反映岩石初期蠕变和低应力水平特别是 应力接近于蠕变下限时的蠕变特征。 ( 3 ) n k 模型 河海大学硕士学位论文 ( a ) n k 模型 图3 3 n - k 模型 n k 模型如图2 8 所示，其蠕变方程为： 应变速率为： 一嚎+ 瓦1o - 岛 (