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岩石蠕变—渗流耦合作用规律研究
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摘要
岩石结构是非连续和非均质体,具有非线性、各向异性及随时间变化的流变特性。水是影响岩石蠕变破裂失稳性质的一个重要因素,随着时间的增加,并导致重大岩石工程事故的发生,造成伤亡和重大经济损失,所以开展岩石蠕变破裂与渗流耦合作用规律的研究对岩石工程的长期稳定性具有重要的理论意义和实际应用价值。论文基于前人的研究基础,对煤岩进行了三轴蠕变试验、有限元理论和数值模拟研究,综合分析了岩石工程中各种失稳破坏现象,主要工作如下:
     (1)对煤岩试件分别进行三轴蠕变试验和蠕变-渗流耦合试验,得出炭质泥岩的长期强度;不同含水率对煤岩试件蠕变特性的影响,确定蠕变模型参数;考虑围压、加卸载及恒压下,渗透率的变化规律;煤岩试件蠕变全过程中对渗透率的影响规律。对于不同岩石和不同的围压、孔压条件下,通过蠕变过程中的渗透性试验,拟合出相应蠕变-渗透率曲线和渗透率-蠕变方程;
     (2)基于弹性理论的有限元分析基本方程,引入粘弹塑性问题的本构方程,再结合弹性、弹塑性问题的平衡微分方程、几何方程及边界条件,联合建立流变问题的有限元基本方程;并应用最大拉应力理论,建立最大拉应力单元追踪法,模拟流变变形过程中裂纹的萌生、扩展和汇聚,建立蠕变破裂判断准则;同时建立了非线性损伤模型,并进行了岩石损伤过程的有限元模拟。
     (3)据等效连续介质模型和流变学的理论,建立煤岩体流变场与渗流场耦合作用下的流变模型,推导相应的直接耦合总体控制方程,给出煤岩体流变场与渗流场耦合作用下的有限元分析格式,并进行了有限元程序设计;
     (4)基于流变试验和蠕变-渗流耦合有限元法,应用FEPG软件平台,编制蠕变破裂模块和蠕变-渗流耦合模块,并应用于层状边坡长期稳定性分析;通过蠕变破裂模块,分别从受法向力作用下蠕变破裂和离层蠕变破裂,分析其各设定监测点随时间演化应力变化规律、不同方向位移变化规律;通过蠕变-渗流耦合模块,分析其监测点水压随时间的变化,位移的变化规律。
Rock structure is a non-continuous and non-homogeneous body, whose mechanical properties are nonlinear, anisotropic and rheological properties change with time. Water is an important factor that affects the nature of creep rupture in failure. As time increases, led to the occurrence of major rock projects, cause casualties and significant economic losses, and So to carry out creep rupture and flow coupling rules for long-term stability of rock engineering has great theoretical and practical application value. Based on the previous studies,researchs on the triaxial creep experiment, the finite element theory and numerical simulation of coal and rock, the comprehensive analysis of the rock engineering of instability and failure phenomenon, the main work is as follows:
     (1) Coal (rock) samples were carried out triaxial creep test and creep– seepage coupling test, what obtain the long-term strength of carbonaceous mudstone , the different moisture content of coal’s (rock) effect on creep properties of specimens, determined parameters of the creep model and when confining pressure,loading and unloading, and constant pressure the changes of permeability and the coal (rock) sample creep law on permeability. For different rock and confining pressure, pore pressure conditions, permeability through the process of creep test, we can get a fitting about the corresponding penetration– creep curve and equation.
     (2) Based on elastic finite element analysis, introduce constitutive equation of viscoelastic and viscoplastic, and combine the elasticity and plasticity of the equilibrium differential equation, geometric equations and boundary conditions, establish rheological equations. concerned.by application of maximum tensile stress theory, establishes the tracing method of maximum tensile stress and simulates unit process of rheological deformation, cracks initiation, expansion and gathering, and establishes a judgment criterion for the creep rupture.
     (3) Based on mixture theory and according to the equivalent continuum model and the rheological basic theory, we can establish the rheological model that under the effect of coal (rock) body stress field and seepage coupling, to derive the corresponding equations of the overall direct coupling .Given coal (rock) body of stress coupled with the seepage flow under the action of the finite element analysis format, and we conduct the finite element program’s design and establishment.
     (4) Based on rheological experiment and the finite element theory on the couple between the creep and seepage flow, two models which were respectively the creep rupture and the couple between creep and seepage were proposed by the FEPG Software Platform, further the two models were applied to investigate the long-term stability of stratified slope. In terms of the rupture of the creep and the abscission layer creep under the normal force loading, stress variation with the time evolution and the displacement variation in different directions on the monitoring points were analyzed by the creep rupture model. Meanwhile by the model of the couple between creep and seepage, water hydraulic variation both with the time and the displacement were conducted.
引文
[1] E.Broch,Changes of Rock Strength Caused by water,Proc of Int. Congr. of Rock Mechanics.
    [2] Robert L. Kranz, Crack growth and development during creep of barre granite, Int. J. Rock Mech. Sci.&Geomech. Abstr.,1979(16),23-35,.
    [3]陈祖安.三轴应力下岩石蠕变扩容的微裂纹扩展模型[J]地球物理学报,1994,37(S1)
    [4]陈宗基.根据流变学与地球动力学观点研究新奥法岩石[J].岩石力学与工程学报,1988,7(2)
    [5]陈宗基,康文法.岩石的封闭应力、蠕变和扩容及本构方程[J].岩石力学与工程学报,1991, 10(4): 299-312
    [6]孙均.岩土材料流变及其工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1999
    [7]李成江,膨胀性围岩力学机制及其隧洞支护效应的数值模拟分析[D],上海:同济大学博士学位论文,1988年
    [8]袁龙蔚.论裂纹扩展过程中的流变与耗散现象[J].力学进展,1989 ,19(1) :1—6
    [9]宋德彰.岩质材料非线性流变属性及其力学模型[J].同济大学学报,1991,19(4):395—401
    [10]汤士杰等岩石蠕变破坏过程的自组织特征分析[J],勘察科学技术2004年第1期
    [11]杨圣奇,徐卫亚,等.饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究[J].岩土工程学报,2006,28(8):962-969
    [12]张金才裂隙煤岩体渗透特征的研究[J].煤炭学报,1997,22(5):482-485
    [13]杨松林等.裂隙蠕变的稳定性准则[J].岩土力学,2003,24(3)
    [14]杨松林裂隙煤岩体蠕变柔量分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(9)
    [15]杨松林.节理煤岩体蠕变特性研究[J].岩土力学,2004,25(8)
    [16]郭雪莽煤岩体的变形、稳定和渗流及其相互作用研究[D].大连理工大学博士学位论文1990.3
    [17]王来贵.与环境相协调的煤炭资源开采关键科学问题国家自然科学基金重点项目申请报告2004
    [18]王来贵,黄润秋等.岩石力学系统运动稳定性及其应用[M],北京:地质出版社,1998,57-58.
    [19]刘世康、汝乃华,混凝土拱坝的应力分析及坝座稳定[J],拱坝技术,1983年第1期。
    [20]马尔巴塞拱坝的失事研究[J],国外水利水电,1980年第11期.
    [21]李铁汉、潘别桐,煤岩体力学[M],地质出版社,1983年。
    [22] C.Louis,Interaction Between Water Flow Phenomena and Mechanical Behavior of Soil Or Rock Masses, in Finite Element in Geomechanics,Gudehus(ed.),John Wiley & Sons,1977
    [23]陈胜宏等,节理面渗流性质的探讨[J],武汉水利水电学院学报,1989年1期.
    [24] N.Barton,S.Bandis and K.Bakhtar, Strenghth,Deformation and Conductivity Coupling of Rock Joints,Int.J.Rock Mech.Min.Sci.&Geomech.Abstr.VOL.22,NO.3,1985
    [25]陈占清.饱和含水石灰岩散体蠕变过程中孔隙度变化规律的试验[J]煤炭学报Vol.31 No.1 2006.
    [26]蔡美峰、何满朝、刘东燕著.岩石力学与工程[M].科学出版社, 2002.8: 50~51, 361~362.
    [27]尤明庆.岩石试样的强度及变形破坏过程[M].北京:地质出版社,2000.
    [28]张永祥,陈鸿汉.多孔介质溶质运移动力学[M]. 40.
    [29]朱合华,叶斌.饱水状态下隧道围岩蠕变力学性质的试验研究[J].岩石力学与工程学报[J], 2002(12), 21(12): 1791~1796.
    [30]王恩志,韩小妹,黄远志.低渗岩石非线性渗流机理讨论[J].岩土力学. 2003(10), Vol. 24, Supp.
    [31]李传亮,孔祥言,杜志敏,徐献芝,李培超.多孔介质的流变模型研究[J].力学学报, 2003(3), Vol. 35, No. 2.
    [32]袁海平,诱导条件下节理岩石流变断裂数值模拟分析[D],中南大学,2006
    [33]李世平等,岩石全应力应变过程对应的渗透率-应变方程[J],岩土工程学报,17(3),1995.3:13-19
    [34]张金才等,裂隙煤岩体渗透特征的研究[J],煤炭学报,22(5),1997.10
    [35]沈洪俊等,应力作用下裂隙煤岩体渗流特性的试验研究[J],长江科学院院报15(3),1998.6
    [36]王芝银,李云鹏著,煤岩体流变理论及其数值模拟[M],科学出版社, 2008.1.
    [37]王芝银.隧道围岩粘弹塑性损伤有限元分析的统一模式[J],西安公路交通大学学报,1997,17(2):32-35
    [38]王芝银.煤岩体流变加速变形与稳定性分析[J],中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集.北京:中国科学技术出版社,2002:55-58.
    [39]徐靖南.压剪应力作用下多裂隙煤岩体的力学性质一理论分析与模型试验[D].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,1993
    [40]朱维申,何满潮.复杂条件下围岩稳定性与煤岩体动态施工力学[M].北京:科学出版社,1996
    [41] Costin L S.mechanics in the post-failure regime. Mechanics of Materials, 1985, 4(4): 149~160
    [43]周筑宝.最小耗能原理及其应用[M].北京:科学出版社,2001
    [44]张淳源.粘弹性断裂力学[M].武汉:华中理工大学出版社,1994
    [45]李灏,陈树坚,郭碧坚.断裂力学与复合材料力学[M].武汉:华中理工大学出版社,1989.
    [46] Barry Kean Atkinson. Fracture mechanics of rock [M].London: Harcourt Brace Jovanovich Publishers,1987.
    [47]唐春安,朱万成.混凝土损伤与断裂—数值试验[M].北京:科学出版社,2003
    [48]黄克智,肖纪美.材料的损伤断裂机理与宏观力学理论[M].北京:清华大学出版社,1999.
    [49]何峰,岩石结构蠕变稳定性理论研究,辽宁工程技术大学硕士论文,2005
    [50]章梦涛,潘一山,梁冰,王来贵,煤岩流体力学[M].北京:科学出版社,1995.
    [51]仵彦卿,张倬元.岩体水力学导论.成都:西南交通大学出版社,1995.
    [52]周宏平等,含瓦斯煤岩流变特性的数值模拟试验初探[J].煤炭技术-2006.25(4).-125-128.
    [53]杨彩红王永岩等,软岩蠕变过程中单相渗流固流耦合及数学模型[J].黑龙江科技学院学报-2004.14(5).-297-299.
    [54]李连崇,徐涛,唐春安等,单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟[J].岩土力学-2007.28(9).-1978-1982.
    [55]罗玉龙,彭华.淋溪河水电站大野坪滑坡体渗流应力耦合分析[J].岩土力学-2008.29(12).-3443-3450
    [56]刘建军等,基于免疫进化规划算法的边坡岩体渗流数值模拟[J].东北大学学报:自然科学版-2004(z1).-41-44.
    [57]张尧,渗流耦合作用下围岩的时效特性,同济大学土木工程学院硕士论文,2009.
    [58]罗帅,渗流对深部软岩蠕变影响的研究,青岛科技大学硕士论文,2009.
    [59]王来贵,何峰,刘向峰,岩石试件非线性蠕变模型及其稳定性分析[J],岩石力学与工程学报,2004,23(10):1640-1642.
    [60]何峰,王来贵,等,岩石试件非线性蠕变模型及其参数确定[J],辽宁工程技术大学学报,2005,24(2),181-183.
    [61]何峰,王来贵等,单一滑面边坡的非稳定蠕变模型分析[J],中国地质灾害与防治学报,2005,第四期.
    [62]何峰,王来贵等,采空区悬顶岩梁模型及其流变分析[J],采矿安全与工程学报,2005,第四期.
    [63]何峰,王来贵,地表入渗影响下海州矿边坡稳定性研究[J],中国煤田地质,2006,第一期。
    [64]何峰,王来贵等,海州露天矿滑坡灾害统计分析及信息库建立[J],地质灾害与环境保护,2006,第二期。
    [65]何峰,王来贵,圆形巷道围岩的流变分析[J],西部探矿工程,2007.19(129).
    [66]王来贵;赵娜;何峰;岩石蠕变损伤模型及其稳定性分析[J],煤炭学报,2009.01.15
    [67]王来贵;赵娜;何峰,软岩的非线性蠕变模型及其稳定性分析[J],辽宁工程技术大学学报,2006-10-30.
    [68]王来贵;王建国;何峰;岩石试件蠕变过程中的反馈特性研究[J],沈阳建筑大学学报(自然科学版),2006-10-25.
    [69]范广勤.岩土工程流变力学[M].北京:煤炭工业出版社,1993.
    [70]刘雄.岩石流变学概论[M].北京:地质出版社,1994.
    [71]朱素平.岩石的流变性与地下工程结构的稳定性研究:[学位论文].徐州;中国矿业大学采矿系,1989
    [72]朱素平等.地下圆形隧道围岩稳定性的粘弹性力学分析[J].同济大学学报,1994,22(3)
    [73]Perzyna. Fundamental problem in visco-plasticity [J].V Adv in Appl Mech, 1966, (9) : 243-377.
    [74] Zinkie wicz O C,Cormeau I C. Visco-plasticity and creep in elastic solids a unified numerical solution approach[ J]. Int J Num Nbth in Engrg ,1974,(8) :821-845.
    [75] Cormeau I. Numerical stability in quasi7static elasto-viscoplasticity[J]. Int J Num Meth in Engrg ,1975,(9) :109-127.
    [76]王永岩;魏佳;等,深部岩体非线性蠕变变形预测的研究[J],煤炭学报,2005-08-25
    [77]王俊光;梁冰,孔隙压力作用下泥岩三轴蠕变试验研究[J],山东大学学报(工学版),2009-06-16.
    [78]徐德敏,高渗压下岩石体渗透及力学特性试验研究[D],成都理工大学,2008.12。
    [79]陈占清,缪协兴,刘卫群,采动围岩中参变渗流系统的稳定性分析[J],中南大学学报(自然科学版) 2004, 35(1):129-132
    [80]王永岩,齐君等.深部岩体非线性蠕变规律研究[J].岩土力学,2005,26(1): 117~121
    [81]山下秀,杉木文男,今井忠南等.岩石蠕变及疲劳破坏过程和破坏极限研究[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版).1999,18(5):452-455
    [82]彭苏萍,孟召平,王虎,等.不同围压下砂岩孔渗规律试验研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(5):742-746.
    [83]杨圣奇,苏承东,徐卫亚.大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究[J].岩土力学,2005,26(3):475-478.
    [84]王环玲,徐卫亚等,岩石变形破坏过程中渗透率演化规律的试验研究[J].岩土力学,2006,27(10):1703-1708.
    [85]杨圣奇,岩石流变力学特性的研究及其工程应用[D].河海大学博士论文.2006。
    [86]刘晶辉,王山长,杨洪海,软弱夹层流变试验长期强度确定方法[J],勘察科学技术,1996,5,3-7
    [87]邵国建等.地下洞室群的弹粘塑性有限元分析[J].河海大学学报,2001,29(6).
    [88]康红普.软岩巷道底臌的机理及防治[M].煤炭工业出版社,1993
    [89]张良辉等.隧道围岩的弹塑性解析解[J]。岩土工程学报,1997,19(4)
    [90]芮勇勤等.露天煤矿边坡中软弱夹层的蠕动变形特性分析[J].东北大学学报.1999.20(6)
    [91]杨天鸿等.顺层蠕动边坡变形破坏机理及稳定性动态分析[J].工程地质学报.2003.11(2)
    [92]何学秋著.含瓦斯煤岩流变动力学.中国矿业大学出版社[M].1995
    [93]吴立新,王金庄.煤岩流变特性及其微观影响特征初探[J].岩石力学与工程学报,1996,15(4):328~332
    [94]章梦涛.冲击地压失稳理论与数值模拟计算.岩石力学与工程学报.1987.6(3)
    [95]郭增玉,张朝鹏,夏旺民.高湿度Q2黄土的非线性流变本构模型及参数[J].岩石力学与工程学报,2000,19(6):780-784.
    [96]袁静,龚晓南,益德清.岩土流变模型的比较研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(6):772-779
    [97]孙钧,黄伟.岩石力学参数弹塑性反演问题的优化方法[J].岩石力学与工程学报, 1992, 11(3):221-229
    [98]章根德,何鲜,朱维耀.岩石介质流变学[M].北京:科学出版社.1999
    [99]袁龙蔚,流变力学[M],科学出版社,1986.
    [100]杨绪灿等,黏塑性力学概论[M],中国铁路出版社,1985
    [101]杨挺青,黏弹性力学[M],华中理工大学出版社,1990
    [102]袁龙蔚,缺陷体流变学[M],国防工业出版社,1986.

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