1、開展不同含水狀態(tài)下巖石流變力學特性與模型研究,對于正確預測和有效控制巖石工程的安全與穩(wěn)定具有重要的理論價值和工程實踐意義。本文以蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質板巖為研究對象,采用試驗研究、理論分析相結合的方法,基于炭質板巖在干燥和飽水狀態(tài)下的力學特性以及蠕變規(guī)律,建立適用于炭質板巖的非線性流變理論模型,結合粒子群算法(PSO)和非線性最小二乘法對流變參數進行辨識,并將建立的流變模型嵌入FLAC3D,完成數值程序的二次開發(fā)。本文主要研究工作如下:

2、
　　(1)開展干燥和飽和狀態(tài)下炭質板巖單軸和三軸試驗、楔形剪切試驗、巴西圓盤劈裂試驗,以及單軸循環(huán)加卸載瞬時力學特性試驗,掌握了兩種狀態(tài)下炭質板巖的瞬時力學特性,也為開展巖石蠕變試驗提供了試驗基礎。試驗結果表明:水對炭質板巖強度和變形的影響是顯著的,而在單軸循環(huán)加卸載條件下的影響更為突出;
　　(2)采用全自動伺服流變儀,對干燥和飽和炭質板巖開展分級加載和分級增量循環(huán)加卸載蠕變試驗,研究兩種狀態(tài)下炭質板巖的蠕變特點,以及水

3、對巖石在各級壓力下的蠕變量、蠕變速率的影響。在中、低應力水平下,巖石蠕變變形主要呈現出衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變2個階段,當加載應力增加到較高應力水平時,巖石軸向變形急劇增長,表現出加速蠕變階段;相同應力水平下的飽水巖樣的蠕變量為干燥巖樣的3倍以上;加卸載蠕變試驗表明:水對巖石瞬時變形的影響主要表現在瞬時塑性變形方面,對瞬時彈性變形的影響不大,而對巖石蠕變變形的影響則主要體現在粘彈性應變方面;
　　(3)根據炭質板巖在干燥和飽水狀態(tài)下的蠕

4、變特點,在Burgers流變模型的基礎上,結合一個非線性粘塑性體,和Burgers流變模型相串聯,構建適于炭質板巖蠕變特點的改進Burgers非線性粘彈塑性流變模型,導出了模型的本構方程、蠕變方程、卸載方程以及蠕變模型的三維形式;
　　(4)在粒子群算法的基礎上,將線性遞減權重粒子群算法和Levenberg-Marqud非線性最小二乘法相結合,先采用線性遞減粒子群算法對流變模型參數進行初步辨識,將其結果作為初始值,再采用L-M算法

5、進行辨識,參數辨識后的相關系數均在0.94以上;
　　(5)針對目前建立的能反映蠕變加速階段的流變模型元件和參數較多的問題,借鑒經典元件組合模型的建模思路,將含分數階微積分的軟體元件與彈簧元件串聯,結合一個冪函數粘塑性體,提出一種新的四元件非線性粘彈塑性流變模型,并給出該模型的本構方程和蠕變方程。利用炭質板巖蠕變試驗結果,將該模型與改進Burgers非線性流變模型進行對比擬合分析,表明該模型能夠有效地描述巖石的三階段蠕變特性,在滿

6、足擬合精度的前提下,能夠減少組合模型中的元件個數和參數數量;
　　(6)巖石的蠕變過程是巖石內部應力不斷調整,硬化和損傷效應不斷發(fā)展并共同作用的結果。以經典元件模型為基礎,將巖石的初始屈服強度作為蠕變硬化的應力閾值,巖石的長期強度作為損傷軟化的應力閾值,引入能反映巖石蠕變硬化的硬化函數和損傷效應的損傷變量,建立了一個能夠全面反映蠕變機制的巖石非線性蠕變模型。利用蠕變試驗數據對所提出的模型進行辨識,結果表明該模型不僅能夠很好地描述三