含节理岩石各向异性流变力学特性试验与模型参数研究

工程岩体中夹杂着形态各异的节理、裂隙和断层，它们空间分布形态具有明显的各向异性且直接影响岩体在长期荷载作用下的流变力学特性，因而研究复杂状态下预制节理岩石各向异性流变力学特性具有重要的理论与实际意义。本项目拟依托锦屏二级水电站地下洞室等实际工程，引用高新激光切割技术，在均一完整的真实岩石上人工预制出空间各向异性分布的节理，采用岩石全自动三轴流变仪，对预制节理岩石在加、卸载条件下进行三轴流变试验。研究不同围压及不同应力路径下预制节理岩石的流变力学特性与破裂机理，探讨预制节理空间分布的形态、围压以及应力路径对岩石长期强度的影响，分析流变力学参数的非定常性与各向异性规律。基于预制节理岩石三轴流变力学试验结果，采用粘弹塑性力学、损伤力学等理论，建立岩石非线性各向异性流变力学模型。最后将含节理岩石的流变试验与理论成果，结合数值分析的方法，应用于岩石工程实践中，预测复杂状态下岩石工程长期变形与稳定性。

基于均一完整的真实岩石，采用激光切割技术，人工预制出了含各向异性产状节理的岩样；对预制节理岩样开展了加、卸载条件下的三轴流变力学试验。研究了不同应力路径下预制节理岩样的流变力学特性与破裂机理，分析了岩样加速流变阶段变形随时间变化的规律性。根据含不同产状的节理岩样流变试验结果，利用偏相关系数分析法定量地分析了节理的间距、长度、厚度、倾角等因素与流变变形的多重相关性规律。探讨了流变力学参数的非定常性与各向异性规律。依据岩样稳态流变阶段的流变速率与应力水平的关系，提出了确定长期强度的一种新方法，该方法适用于稳态流变阶段较为显著的岩石来确定其长期强度。假定岩石非线性加速流变变形过程中，岩石内部的损伤量服从时间 的Weibull分布，在Burgers流变模型中加入统计损伤，得到相应的非线性损伤流变模型。利用岩石流变力学试验数据作为神经网络系统的输入和输出的分析样本，通过神经网络内部一个高度非线性的动态模拟系统，对学习样本的自学习来掌握岩石流变力学特性，建立了神经网络岩石流变本构模型。提出了一种非线性粘滞系数牛顿体，结合其它元件组合建立了岩石非线性流变模型，并将其与经典的Mohr-Coulomb模型进行相应的串联，用基于Mohr-Coulomb准则确定的岩石长期强度作为开始进入非线性加速流变阶段的阀值，构建出一个既能反映岩石弹塑性变形特性又能很好地描述岩石流变阶段变形的复合非线性黏弹塑性流变模型；依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口，结合基于摩尔库伦长期强度准则的岩石流变模型编制了非线性流变模型数值计算程序，利用该模型程序对小湾水电站实际工程进行了数值仿真模拟，分析了长期运营条件下拱坝的坝肩、坝基岩体流变变形特性与长期稳定性。