分类号： TU4510710-2010021074博 士 学 位 论 文干 燥 和 饱 水 状 态 下 炭 质 板 岩 流 变 力 学 特 性与 模 型 研 究宋勇军导师姓名职称 雷胜友 教授申请学位级别 博士 学科专业名称 岩土工程论文提交日期 2013 年 4 月 26 日 论文答辩日期 2013 年 6 月 17 日学位授予单位 长安大学Study on Rheological Mechanical Properties and Models ofCarbonaceous Slates under Dry and Saturated StatesA Dissertation Submitted for the Degree of DoctorCandidate： Song YongjunSupervisor: Prof. Lei ShengyouChangan University, Xian, China摘 要开展不同含水状态下 岩 石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。本文以兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩为研究对象，采用试验研究、理论分析相结合的方法，基于炭质板岩在干燥和饱水状态下的力学特性以及蠕变规律，建立适用于炭质板岩的非线性流变理论模型，结合粒 子 群 算 法 (PSO)和 非 线 性 最 小 二 乘 法 对 流 变 参 数 进 行 辨 识 ， 并 将 建 立 的 流 变 模 型 嵌 入FLAC3D，完成数值程序的二次开发。本文主要研究工作如下：(1) 开 展 干 燥 和 饱 和 状 态 下 炭 质 板 岩 单 轴 和 三 轴 试 验 、 楔 形 剪 切 试 验 、 巴 西 圆 盘 劈裂 试 验 ， 以 及 单 轴 循 环 加 卸 载 瞬 时 力 学 特 性 试 验 ， 掌 握 了 两 种 状 态 下 炭 质 板 岩 的 瞬 时 力学 特 性 ， 也 为 开 展 岩 石 蠕 变 试 验 提 供 了 试 验 基 础 。 试 验 结 果 表 明 ： 水 对 炭 质 板 岩 强 度 和变 形 的 影 响 是 显 著 的 ， 而 在 单 轴 循 环 加 卸 载 条 件 下 的 影 响 更 为 突 出 ；(2) 采用全自动伺服流变仪，对干燥和饱和炭质板岩开展分级加载和分级增量循环加 卸 载 蠕 变 试 验 ， 研 究 两 种 状 态 下 炭 质 板 岩 的 蠕 变 特 点 ， 以 及 水 对 岩 石 在 各 级 压 力 下 的蠕 变 量 、 蠕 变 速 率 的 影 响 。 在 中 、 低 应 力 水 平 下 ， 岩 石 蠕 变 变 形 主 要 呈 现 出 衰 减 蠕 变 和稳 态 蠕 变 2 个 阶 段 ， 当 加 载 应 力 增 加 到 较 高 应 力 水 平 时 ， 岩 石 轴 向 变 形 急 剧 增 长 ， 表 现出 加 速 蠕 变 阶 段 ； 相 同 应 力 水 平 下 的 饱 水 岩 样 的 蠕 变 量 为 干 燥 岩 样 的 3 倍 以 上 ； 加 卸 载蠕 变 试 验 表 明 ： 水 对 岩 石 瞬 时 变 形 的 影 响 主 要 表 现 在 瞬 时 塑 性 变 形 方 面 ， 对 瞬 时 弹 性 变形的影响不大，而对岩石蠕变变形的影响则主要体现在粘弹性应变方面；(3) 根 据 炭 质 板 岩 在 干 燥 和 饱 水 状 态 下 的 蠕 变 特 点 ， 在 Burgers 流变模型的基础上，结 合 一 个 非 线 性 粘 塑 性 体 ， 和 Burgers 流 变 模 型 相 串 联 ， 构 建 适 于 炭 质 板 岩 蠕 变 特 点 的改 进 Burgers 非 线 性 粘 弹 塑 性 流 变 模 型 ， 导 出 了 模 型 的 本 构 方 程 、 蠕 变 方 程 、 卸 载 方 程以 及 蠕 变 模 型 的 三 维 形 式 ；(4) 在 粒 子 群 算 法 的 基 础 上 ， 将 线 性 递 减 权 重 粒 子 群 算 法 和 Levenberg-Marqud 非 线性 最 小 二 乘 法 相 结 合 ， 先 采 用 线 性 递 减 粒 子 群 算 法 对 流 变 模 型 参 数 进 行 初 步 辨 识 ， 将 其结 果 作 为 初 始 值 ， 再 采 用 L-M 算法进行辨识，参数辨识后的相关系数均在 0.94 以 上 ；(5) 针对目前建立的能反映蠕变加速阶段的流变模型元件和参数较多的问题，借鉴经 典 元 件 组 合 模 型 的 建 模 思 路 ， 将 含 分 数 阶 微 积 分 的 软 体 元 件 与 弹 簧 元 件 串 联 ， 结 合 一个 幂 函 数 粘 塑 性 体 ， 提 出 一 种 新 的 四 元 件 非 线 性 粘 弹 塑 性 流 变 模 型 ， 并 给 出 该 模 型 的 本构 方 程 和 蠕 变 方 程 。 利 用 炭 质 板 岩 蠕 变 试 验 结 果 ， 将 该 模 型 与 改 进 Burgers 非 线 性 流 变I模 型 进 行 对 比 拟 合 分 析 ， 表 明 该 模 型 能 够 有 效 地 描 述 岩 石 的 三 阶 段 蠕 变 特 性 ， 在 满 足 拟合精度的前提下，能够减少组合模型中的元件个数和参数数量；(6) 岩石的蠕变过程是岩石内部应力不断调整，硬化和损伤效应不断发展并共同作用的结果。以经典元件模型为基础，将岩石的初始屈服强度作为蠕变硬化的应力阈值，岩 石 的 长 期 强 度 作 为 损 伤 软 化 的 应 力 阈 值 ， 引 入 能 反 映 岩 石 蠕 变 硬 化 的 硬 化 函 数 和 损 伤效 应 的 损 伤 变 量 ， 建 立 了 一 个 能 够 全 面 反 映 蠕 变 机 制 的 岩 石 非 线 性 蠕 变 模 型 。 利 用 蠕 变试 验 数 据 对 所 提 出 的 模 型 进 行 辨 识 ， 结 果 表 明 该 模 型 不 仅 能 够 很 好 地 描 述 三 阶 段 蠕 变 特性，而且可以全面反映岩石蠕变过程中的蠕变硬化和损伤软化机制；(7) 依 据 FLAC3D 提 供 的 内 置 本 构 模 型 源 代 码 ， 在 Burgers 蠕变模型有限差分形式的基 础 上 ， 导 出 了 改 进 Burgers 非 线 性 蠕 变 模 型 的 三 维 差 分 形 式 。 借 助 C+语 言 将 改 进Burgers 非 线 性 蠕 变 模 型 的 三 维 差 分 形 式 编 译 成 动 态 链 接 库 ， 嵌 套 到 FLAC3D 中 ， 实 现 了本 构 模 型 的 二 次 开 发 ， 并 利 用 新 开 发 的 流 变 模 型 进 行 单 轴 压 缩 蠕 变 模 拟 试 验 ， 验 证 了 程序二次开发的正确性。关 键 词 ： 炭 质 板 岩 干 燥 和 饱 水 状 态 非 线 性 流 变 模 型 参 数 辨 识 二 次 开 发AbstractIt is very important theoretical value and practical significance is that carry out the rockrheological mechanical properties and models research for which correct prediction andeffective control of the security and stability of rock engineering under different waterconditions. carbonaceous slate in wooden village ridge tunnel of Lan-Yu railway were takenfor research object, the research methods combined with the experiment, theoretical analysisand numerical calculation are used, based on the mechanical properties and creep law in dryand saturated state of the carbonaceous slates, Nonlinear rheological constitutive model ofcarbonaceous slate rock were established, identified the rheological parameters combinedwith particle swarm optimization (PSO) and nonlinear least square method, and accomplishedsecondary development in the FLAC3D numerical program, all of these are vital for predictionlong-term stability of tunnel engineering. The paper mainly focused on the following:(1) It is grasp the instantaneous mechanical properties of dry and saturated statecarbonaceous slate in which carry out uniaxial and triaxial compression test, wedge shear test,brazilian spilt test, as well as uniaxial cyclic loading and unloading instantaneous mechanicalproperties test. It is mainly focused on the mechanical property differences of two states ofrock, and also provide test base for creep test of rock; The test shows that water bring aboutsignificant influence to strength and deformation of carbonaceous slates, especially in uniaxialcyclic loading and unloading test conditions;(2) It is launched step load and circular increment step load and unload creep test of thedry and saturated carbonaceous slates in automatic servo rheometer, the mainly researchedcreep characteristics of two conditions of carbonaceous slates, and the influence of watertowards on the creep value and creep rate under all levels of pressure.The test resultsindicated that creep deformation mainly presents attenuation creep and steady-state creep inmost stress leve