地下工程非线性流变岩体的锚固时效性及其可靠性研究

岩体工程的锚固时效性及其长期可靠性是地下工程长期稳定性研究的重要内容。本项目首先通过室内岩石常规及蠕变试验，研究岩石基本力学参数、破坏力学行为、流变特性、扩容与塑性和蠕变应变之间的关系，建立深部工程岩体非线性蠕变损伤本构模型；继而通过开展岩石锚固界面流变试验，研究岩体锚固界面的剪切流变力学特性，建立锚固界面的非线性流变本构模型；然后根据现场监测资料，编制程序反演示范工程岩体的基本力学参数、蠕变参数及其应力场；最后，在以上研究基础上，通过二次开发，将理论研究成果与ABAQUS结合，开展依托工程的大规模数值仿真计算，研究地下洞室围岩体的稳定性、锚固体的应力分布及变化规律等时效性特征，并编制可靠度程序对依托工程进行锚固长期可靠性的计算分析和评价。研究成果将为西部重大水利水电工程的设计和施工提供理论指导。

在锚固工程中，围岩体的流变特性对地下工程洞室开挖后锚固体的稳定性影响至关重要。目前，国内外对流变岩体工程的长期稳定性、岩体锚固的时效性特征等许多关键基础性问题的研究尚属起步阶段。本项目以依托工程为研究背景，对地下工程的非线性流变特性、锚固时效性及锚固承载可靠性开展深入细致的研究工作，取得的研究成果：.(1)锚固体界面的剪切流变试验及理论分析。通过开展的锚杆－注浆体－岩石之间交界面的剪切流变力学试验，得到：当处与低剪应力水平时，岩石剪切流变速率只表现出初始蠕变和稳态蠕变两个阶段；当处于较高剪切应力时，岩石剪切变形则经历初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段。在剪切流变过程中，剪应变逐渐增大，锚杆的预应力表现出先期的快速衰减，然后慢慢回升，最后基本稳定在某个相对不变的水平。该试验为锚固体界面的力学机制的研究提出了新的研究方式和探讨途径。.(2)非线性流变岩体的本构模型及参数反演分析。建立了岩体非线性蠕变损伤演化方程，该损伤模型能反映岩体流变的快速损伤过程；采用基于Nelder-Mead优化搜索算法的位移反分析计算程序，对锦屏Ⅱ级水电站地下厂房围岩体力学蠕变参数进行了反演研究，反演结果与实测结果趋势较为一致，表明反演结果的正确性。该反演分析成果能为地下厂房的长期稳定性分析提供重要依据。.(3)地下工程锚固体接触界面本构模型及时效性研究。建立了锚固界面的非线性流变本构模型，该模型考虑了法向应力的影响，能更合理的反映剪切流变的力学过程，且解决了传统接触面法向的“硬”接触和切向粘结滑移状态的不连续经常会导致计算分析的难以收敛问题；通过编制计算程序，对大岗山水电站地下厂房的锚索进行了时效性研究：沿长度方向的轴应力分布为两头大，中间小，随着围岩体的流变，锚索应力基本呈现逐渐增大的趋势。.(4)地下工程锚固体的时变可靠性研究。在锚固可靠度分析中，首次提出采用能明显节省样本数量的分层-拉丁超立方复合抽样方法，自行编制了基于MATLAB－ABAQUS联合实现的可靠度计算程序，通过计算分析，指出锚固体失效概率随着围岩体流变时间的增长而逐渐增加。对大岗山水电站地下厂房对穿锚索的可靠性分析表明：流变一年时对应的失效概率为0.0085，可靠指标为2.39，基本符合安全要求。