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原文传递深埋软岩隧道流变特征研究

论文题名：	深埋软岩隧道流变特征研究
关键词：	软岩隧道;流变特性;本构模型;参数反演
摘要：	岩体变形是一个与时间相关的过程，尤其是软岩，其变形通常具有一定的时效性。弹塑性理论无法描述和预测这一过程，而流变力学理论较好的克服了这个缺点。合理描述岩体与时间相关的力学特征和行为对于实际工程有着重要的意义。本论文以锦屏二级水电站引水隧洞西端绿泥石片岩段为工程依托，基于相关试验和现场实测变形，采用理论分析和数值计算等方法，从岩石流变本构模型出发，研究了适合于描述软岩隧道流变特性的本构模型，并将该模型应用于数值模拟中，同时还研究了流变参数反演的方法。主要研究内容及成果包括以下几个方面: 　　(1)对工程区绿泥石片岩进行了室内试验。采用扫描电镜-能谱分析对绿泥石片岩的微结构特征及元素组成进行了分析;采用岩石力学刚性试验机对绿泥石片岩干燥及饱和状态下的力学特征进行了研究，以期获得对绿泥石片岩在高地应力状态下变形和破坏特征的认识; 　　(2)根据Riemann-Liouville分数阶微积分理论，提出了统一采用基于分数阶微积分形式表达的四元件非线性粘弹塑性流变模型，给出了该模型的本构方程及蠕变方程，并将该模型与绿片岩蠕变试验及岩盐蠕变试验数据分别进行了拟合，结果表明该模型可以有效反映岩石三个阶段的蠕变特性，并且起到了减少模型元件个数及参数的作用; 　　(3)提出了蠕变三个阶段过程中非定常参数分别随时间和随应变衰减的方程，并根据衰减方程建立了改进三参量H-K流变模型，并结合相关试验数据对模型进行了辨识，结果显示两种参数衰减的形式均能较好的反映岩石蠕变的三个阶段; 　　(4)推导了基于分数阶Maxwell模型的隧道粘弹性位移解析方程，同时考虑了掌子面及支护作用的影响，通过与Burgers模型的解析解对比，显示两种模型在某个时间段可以达到相一致的结果; 　　(5)基于岩石蠕变三阶段的特点，提出了蠕变参数随等效应变而衰减的改进三参量H-K(广义Kelvin)三维本构模型，并用来反映软弱围岩在不同应力水平下的弹性变形及蠕变变形，同时给出了该模型应用于有限差分程序FLAC3D中的方法，即采用FLAC3D内嵌的FISH语言，在计算过程中动态评估和修正蠕变参数; 　　(6)基于改进三参量H-K本构模型，采用有限差分程序FLAC3D探讨了软岩隧道在不同埋深及侧压力系数时的蠕变变形特征、掌子面对隧道流变的影响、施工停止时间对隧道流变的影响以及台阶法开挖对隧道流变的影响; 　　(7)结合绿泥石片岩蠕变试验及现场实测数据，探讨了采用粒子群算法对流变参数反演的方法，同时将有限差分程序FLAC3D、均匀设计法、BP神经网络及粒子群算法相结合，建立了工程岩体流变参数的综合反演方法; 　　(8)结合实际工程施工，并基于改进三参量H-K本构模型，采用FLAC3D程序分析了特殊支护（预应力锚索及锚筋桩）对深埋软岩隧洞流变的影响，结果显示，针对局部变形较大的地方施加预应力锚索可以起到一定的抑制作用，同时施加锚筋桩后，开挖下台阶更为安全有利。
作者：	陈亮
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	陈寿根
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文