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基于FLAC3D的西原流变模型的程序实现及工程应用

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基于FLAC3D的西原流变模型的程序实现及工程应用

作者：邹佳成中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

在长期荷载作用下,岩石的应力应变特性随时间而变化,这种性质就是岩石的流变特性。岩土工程的安全性和稳定性与岩石流变性质有密切关系,研究岩石的流变性质对于实际工程有很重要的理论意义和实际意义。西原模型是一种在岩土工程中最常... 详细信息

在长期荷载作用下,岩石的应力应变特性随时间而变化,这种性质就是岩石的流变特性。岩土工程的安全性和稳定性与岩石流变性质有密切关系,研究岩石的流变性质对于实际工程有很重要的理论意义和实际意义。西原模型是一种在岩土工程中最常用的模型,它能比较全面地反应岩石的弹-黏弹-黏塑性效应,并且在工程实际中得到广泛应用。本文在前人的研究基础上,采用理论分析和数值模拟结合的方法,推导西原模型三维情况下的差分形式,通过FLAC提供的自定义本构模型的接口,把西原模型的编译成动态库DLL文件,并且验证西原模型的可行性。使用西原模型,对ABH深埋输水隧洞中粉质泥沙洞段进行了分析,得到了不同洞段的支护时机,为工程提出合理建议。本文的主要研究内容和成果如下:(1)结合岩石流变理论和不相关联的摩尔库伦流动法则,推导出了西原模型三维情形下的差分格式;本文详细阐述了岩石流变基本元件的力学模型及应力应变关系,同时论述了常用组合元件的基本组合模式和本构方程,以及分析了西原模型的流变参数的确定方法;(2)通过FLAC提供的自定义本构模型的接口,进行二次开发,把西原模型的编译成动态库DLL文件;通过退化FLAC自带模型,使用间接验证的方法验证了西原模型弹性-黏弹性部分的正确性;通过反演岩石室内流变试验,验证了自定义的西原模型进入屈服以后的可行性,即验证了自定义模型塑性部分的正确性;(3)使用西原模型,针对ABH输水隧洞工程中越岭段III类围岩和IV类围岩隧洞开挖支护方案进行研究,通过多次试算,分析隧洞围岩稳定性,给出了隧洞开挖后的喷层混凝土和锚杆支护时机,为该工程支护方案提供的参考。

关键词：流变西原模型二次开发围岩稳定支护时机

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考虑损伤的西原流变模型及其工程应用研究

考虑损伤的西原流变模型及其工程应用研究

作者：何晓樟重庆大学

学位级别：硕士

岩体的流变模型是岩石流变理论的核心组成部分。随着我国经济的发展,我国的基础设施建设的规模呈现日新月异的增长,工程中岩石流变问题也越来越复杂。研究表明,岩体参数会因为损伤随时间变化而衰减。因此,只有从岩体流变学和损伤理论的... 详细信息

岩体的流变模型是岩石流变理论的核心组成部分。随着我国经济的发展,我国的基础设施建设的规模呈现日新月异的增长,工程中岩石流变问题也越来越复杂。研究表明,岩体参数会因为损伤随时间变化而衰减。因此,只有从岩体流变学和损伤理论的观点和方法出发来考虑岩石的流变受力变形特性,才能更合理有效地服务于工程实际。本文基于能较为全面反映岩土体弹-黏弹-塑粘性流变性质的西原流变模型,结合由损伤导致的参数衰减,提出考虑损伤的西原流变模型,将其进行FLAC自定义本构模型二次开发以及工程应用。主要内容及成果如下:(1)结合摩尔库伦屈服准则和损伤理论,提出考虑损伤的西原流变模型和利用三轴压缩试验确定损伤阈值,并推导出考虑损伤的西原流变模型的有限差分格式以及用于FLAC中的应力更新方程和应力修正方程;(2)根据差分格式,利用FLAC软件提供的二次开发平台进行对本文模型进行二次开发,并详细列出了二次开发中的重要方法、关键变量、编码流程;根据退化后的FLAC内置伯格斯流变模型对比试验和文献中的室内试验分别验证了本文模型未进入屈服状态和进入屈服状态后的正确性和适用性;(3)结合数值试验,以应变和位移为指标,对本文提出的模型中各个参数进行了敏感性分析,并将本文模型应用于模拟蠕变、松弛、分级循环加卸载试验,证明了本文模型能较好地模拟这些试验,特别是对加速蠕变阶段的模拟;(4)以云南某红层软岩隧道为例,基于三轴压缩确定其损伤阈值为0.25%。结合文献相关参数,将本文模型和退化的本文模型(未考虑损伤)计算结果及现场监测进行了对比研究,证明了本文考虑损伤的西原模型更符合实际。另外,还基于本文模型对隧道开挖方法进行了研究,模拟结果表明,隧道双侧壁导坑法施工比二步台阶法、单侧壁导坑法更具安全性。

关键词：流变本构模型西原模型损伤二次开发围岩变形

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基于循环荷载下西原岩石疲劳模型的改进研究

水利水电技术 2017年第7期48卷 129-135页

作者：李永辉浦少云饶军应李德荣刘小浪穆锐王红贵州大学国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室贵州贵阳550025 贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025 贵州盘江精煤有限股份公司贵州六盘水553539 辛国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 河海大学水文与水资源学院江苏南京210098

为研究岩石疲劳变形规律,通过将西原模型黏塑性体中线性元件替换为含疲劳参数n的非线性黏性元件,建立了循环荷载下改进的西原疲劳模型。当岩石循环荷载应力上限值小于岩石门槛应力值时,模型为描述岩石减速、等速两个疲劳变形阶段的广义K... 详细信息

为研究岩石疲劳变形规律,通过将西原模型黏塑性体中线性元件替换为含疲劳参数n的非线性黏性元件,建立了循环荷载下改进的西原疲劳模型。当岩石循环荷载应力上限值小于岩石门槛应力值时,模型为描述岩石减速、等速两个疲劳变形阶段的广义Kelvin疲劳模型;当岩石循环荷载应力上限值大于岩石门槛应力值且模型参数n≠1时,模型为反映岩石的减速、等速及加速3个疲劳过程的改进西原疲劳模型;当模型疲劳参数n=1时,模型退化为西原疲劳模型。结果表明:与既有岩石疲劳试验结果相比,改进的西原疲劳模型能更好描述循环荷载下软硬岩石的等速、减速、加速三个疲劳变形阶段,且模型疲劳参数n随岩石的单轴抗压强度增大而增大,较高的循环荷载上限应力比会造成模型疲劳参数值n的反常,其他参数变化规律也较为明显。

关键词：岩石力学循环荷载西原模型广义Kelvin模型疲劳变形

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软岩非线性蠕变行为的西原模型改进

河北工业科技 2020年第6期37卷 401-406页

作者：杨波吴明堂周林林浙江华东建设工程有限公司浙江杭州310000 辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000

为了有效控制地下工程中围岩失稳现象的发生,在描述软岩非线性蠕变行为的基础上,借鉴元件模型的建模方式,将分数阶软体元件替代传统西原模型Kelvin体中的黏滞体,得到基于分数阶微积分的定常蠕变本构模型。引入非线性黏滞系数表达式来改... 详细信息

为了有效控制地下工程中围岩失稳现象的发生,在描述软岩非线性蠕变行为的基础上,借鉴元件模型的建模方式,将分数阶软体元件替代传统西原模型Kelvin体中的黏滞体,得到基于分数阶微积分的定常蠕变本构模型。引入非线性黏滞系数表达式来改进模型黏弹性部分,通过损伤力学理论描述岩石黏塑性应变,得到一个新的非线性四元件蠕变本构模型。通过所建模型辨识冻结软岩、片岩和泥岩的蠕变试验数据,采用Levenberg-Marqud算法求解模型参数,对比分析试验数据和辨识曲线。结果表明,所建模型对于研究软岩非线性蠕变行为是可行的,具有较好的适用性。在分数阶微积分的基础上通过损伤力学理论描述岩石黏塑性应变,得到的非线性四元件蠕变本构模型可为进一步研究软岩非线性蠕变行为提供参考。

关键词：岩土力学软岩分数阶微积分损伤西原模型非定常

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基于西原模型的浅埋隧道围岩变形分析

成都大学学报（自然科学版） 2021年第4期40卷 418-424页

作者：邱洪志吴启红唐然成都大学建筑与土木工程学院四川成都610106 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所/山地灾害与地表过程重点实验室四川成都610041

以某浅埋山岭隧道围岩变形失稳为研究对象,基于西原模型及Mohr-Coulomb屈服准则在FLAC^(3D)中的二次开发应用,对浅埋隧道在开挖条件下围岩的变形进行分析.结果表明:应用西原模型计算围岩的位移时,可以考虑时间效应对围岩变形的影响,其... 详细信息

以某浅埋山岭隧道围岩变形失稳为研究对象,基于西原模型及Mohr-Coulomb屈服准则在FLAC^(3D)中的二次开发应用,对浅埋隧道在开挖条件下围岩的变形进行分析.结果表明:应用西原模型计算围岩的位移时,可以考虑时间效应对围岩变形的影响,其塑性区主要形成于隧道开挖过程中和初支结构施工阶段,在仰拱浇筑完成后达到基本稳定.另外,塑性区形态受隧道埋深的影响,随着浅埋隧道埋深增加,开挖后围岩塑性区形态由近似半椭圆形向蝶形转变,当埋深小于2倍硐室宽度时,围岩塑性区近似半椭圆形并贯穿至地表.将本研究计算结果与监测数据对比分析发现,该计算结果的累积变形值略大于实际监测结果值,这是因为监测工序稍晚于开挖工序.对浅埋隧道围岩变形规律的研究是基于工程实例开展的,其成果对同类工程的设计与施工具有一定的指导意义.

关键词：西原模型超浅埋隧道围岩变形现场监测

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基于西原模型改进的一种泥岩蠕变模型

成都大学学报（自然科学版） 2018年第4期37卷 426-429页

作者：田小朋李东林张伯虎马瑞元西南石油大学地球科学与技术学院四川成都610500 陕西宇航科技工业有限公司陕西西安710025 西南石油大学土木工程与建筑学院四川成都610500

在砂泥岩互存的油气储层,两种岩石受长期油气注采生产中的差异化蠕变影响会产生不同的位移,导致采油井筒发生剪切破坏.泥岩在含水时变形较大,对注采安全影响较大,因此研究含水情况下的泥岩蠕变性能显得十分重要.本研究以典型西原蠕变模... 详细信息

在砂泥岩互存的油气储层,两种岩石受长期油气注采生产中的差异化蠕变影响会产生不同的位移,导致采油井筒发生剪切破坏.泥岩在含水时变形较大,对注采安全影响较大,因此研究含水情况下的泥岩蠕变性能显得十分重要.本研究以典型西原蠕变模型为基础,添加含水元件,建立与含水量相关的泥岩蠕变模型,同时选取实际油田中一井网为研究对象,建立注采数值模型,通过控制注采比来调节地层中的含水量,验证了改进泥岩蠕变模型的正确性与合理性.研究成果能更好地指导注采过程中泥岩蠕变变形的计算,从而对井筒套损剪切破坏进行预测与控制.

关键词：泥岩蠕变西原模型含水元件注采比

基于变参数西原模型的膨胀土剪切蠕变试验研究

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中国西部科技 2014年第9期13卷 11-12,52页

作者：周海波韦秉旭刘雄刘斌长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410004

为研究干湿循环作用下膨胀土的剪切蠕变特性,分别在50KPa、100KPa、200KPa法向压力下,对广西百色地区膨胀土进行了干湿循环作用6次后的土体剪切蠕变试验,得到了不同应力条件下土样应变-时间曲线及应力-应变等时曲线,采用西原模型对剪切... 详细信息

为研究干湿循环作用下膨胀土的剪切蠕变特性,分别在50KPa、100KPa、200KPa法向压力下,对广西百色地区膨胀土进行了干湿循环作用6次后的土体剪切蠕变试验,得到了不同应力条件下土样应变-时间曲线及应力-应变等时曲线,采用西原模型对剪切蠕变进行了参数拟合。结论表明在同级剪应力荷载作用下,弹性模量G1和屈服强度τs随着法向压力的增大而增大;在同级法向压力荷载作用下,G1随着剪应力的增大而减小,G2先增大后减小;采用西原模型来描述干湿循环作用6次后膨胀土的剪切蠕变变形是可靠的。

关键词：西原模型膨胀土剪切蠕变

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不同含水率砂岩蠕变试验及损伤模型研究

中国农村水利水电 2022年第9期 65-69,82页

作者：蒋成张树光刘新民张研刘文博桂林理工大学土木与建筑工程学院广西桂林541004 桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室广西桂林541004 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071 中国科学院大学北京100049

为了解全州某引水隧洞围岩在水劣化作用下蠕变变形规律,选取浸水后的隧洞岩样作为研究对象,开展不同含水率作用下的单轴加载蠕变试验,探究含水率对隧洞围岩蠕变的影响,进而建立一种考虑含水率和时间双重影响的新型的非定常蠕变模型,最... 详细信息

为了解全州某引水隧洞围岩在水劣化作用下蠕变变形规律,选取浸水后的隧洞岩样作为研究对象,开展不同含水率作用下的单轴加载蠕变试验,探究含水率对隧洞围岩蠕变的影响,进而建立一种考虑含水率和时间双重影响的新型的非定常蠕变模型,最后结合试验数据来验证模型的正确性与合理性。结果表明:砂岩受载后的瞬时变形与蠕变变形量均随含水率的增加逐渐增大,且建立的非定常模型考虑了蠕变参数的含水劣化与时间劣化,使得蠕变模型可准确地描述不同应力和不同含水率状态下隧洞围岩的蠕变损伤过程。而参数α_(1)能有效的控制了岩石的瞬时应变值的大小,参数α_(2)则控制了岩石黏弹性变形和速率的变量,参数α_(4)控制了黏塑性蠕变速率,参数α_(γ)在黏塑性黏壶发生作用时,对黏弹性变形向黏塑性变形转化的速率进行修正,有效保持模型曲线的准确性。

关键词：含水率应力引水隧洞围岩西原模型非定常

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软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用

岩土力学 2019年第6期40卷 2172-2182页

作者：储昭飞刘保国任大瑞宋宇马强北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 重庆市轨道交通设计研究院重庆401120

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的... 详细信息

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低,流变性强,不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质,也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定,调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w,开展了一系列梯度配比试验。研究表明:(1)该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响;(2)松香酒精溶液浓度越大,试样强度越大,流变性越小;(3)液压油含量越大,试样强度越小,流变性越明显;(4)相比松香酒精溶液浓度m,液压油含量w对西原模型各参数的影响更大,起主控作用。最终,将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中,试验结果表明:该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供了材料保证。

关键词：软岩流变相似材料黏弹塑性西原模型模型试验