红层泥岩的损伤和蠕变特性研究

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开展不同含水状态下岩石瞬时、流变力学特性与模型研究,对于正确预测和有效控制岩石工程的安全与稳定具有重要的理论价值和工程实践意义。本文以四川省新津县狮子山滑坡红层泥岩为研究对象,采用试验研究、理论分析相结合的方法,基于红层泥岩在不同围压不同泡水时间下的瞬时、蠕变力学特性,建立适用于红层泥岩的统计损伤软化模型和蠕变损伤模型,基于FLAC3D进行改进Burgers蠕变损伤模型的二次开发。本文主要研究工作如下:(1)对红层泥岩开展不同围压不同泡水时间下的常规三轴压缩试验,获得瞬时力学参数与围压、泡水时间的关系。在相同围压下,泥岩峰值强度和弹性模量均随泡水时间的增长而递减。在相同饱水条件下,泥岩峰值强度和弹性模量均随围压增大而呈增长趋势。内聚力和内摩擦角随泡水时间的增长而递减,泡水20天时趋于收敛。为了正确描述泥岩的应力-应变曲线,分别构建了不考虑和考虑空隙压密阶段的统计损伤软化模型。前者基于改进Harris函数建立损伤演化方程,假设岩石微元强度服从改进的Harris概率密度分布,选取DP-3强度准则,考虑损伤变量修正,通过红层泥岩和相关文献中二长花岗岩和砂岩试验数据进行模型验证,证明本文模型的合理性和适用性,分析累积损伤的扩展过程,并提出初始损伤系数约束范围这一新发现。后者模型是通过引入前人已有考虑空隙压密阶段的统计损伤本构模型,基于本文已建Harris损伤演化方程进行改进,从而得到一个能较好地辨识红层泥岩五阶段应力-应变全过程的统计损伤软化模型。(2)对红层泥岩进行不同泡水时间不同围压下的三轴压缩蠕变试验,试验发现红层泥岩具有显著的非线性流变特征。对不同工况下泥岩的应变特征、蠕变速率、长期强度和长期强度抗剪强度指标进行分析,总结了在不同工况下的变化规律。通过对红层泥岩蠕变规律的研究,构建了改进后的Burgers蠕变损伤模型和基于分数阶微积分的蠕变损伤模型。前者基于传统的Burgers模型,通过改进Harris函数定义损伤变量,再串联一个考虑损伤的黏塑性体。后者模型结合连续损伤力学理论,通过Kachanov蠕变率建立损伤表达式,由此建立一个考虑时效损伤的弹性体;基于分数阶微积分来定义黏滞体和黏塑性体,串联三者得到本文基于分数阶微积分的蠕变损伤模型。对这两个蠕变损伤模型进行对比验证,对比发现这两个模型都能较好地反映红层泥岩蠕变全过程,基于分数阶微积分的蠕变损伤模型对于红层泥岩蠕变数据的辨识效果略优于改进Burgers蠕变损伤模型。(3)推导改进Burgers蠕变损伤模型的有限差分表达式,基于Burgers模型内置源代码,在FLAC3D平台上应用VC++编程语言实现了改进Burgers蠕变损伤模型的二次开发,并将二次开发的蠕变损伤模型进行三轴压缩蠕变模拟试验,模拟试验结果与理论计算结果较为一致,反演验证了模型参数的正确性,同时验证了流变模型二次开发的可行性。(4)本文统计损伤软化模型和改进Burgers蠕变损伤模型的损伤演化方程皆是基于改进Harris函数而建,由此构建的模型能较为准确地反映红层泥岩的损伤和蠕变特性,证明基于改进Harris函数的损伤演化方程的正确性和合理性。Harris函数在统计损伤模型和蠕变损伤模型的构建中鲜有应用,本文模型构建与分析为Harris损伤表达式在损伤力学及本构理论中的应用和推广提供一定参考。
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