流变-渗流耦合作用下岩体结构损伤规律研究

Rock structure is a non-continuous and non-homogeneous body, whose mechanical properties are nonlinear, anisotropic and rheological properties change with time.Water can not be ignored control factors that affects the nature of creep rupture in failure. As time increases, led to the occurrence of major rock projects, and So to carry out creep rupture and flow coupling rules for long-term stability of rock engineering has great theoretical and practical application value.Base on the summary and comprehensive analysis of rock engineer instability and failure phenomenon,rock creep-seepage rule coupling testing system is developed in the triaxial permeation apparatus.The parameters of coal(rock) specimens are tested in different working conditions and got the curve of coal(rock) rheological rupture-damage and instability; Coupling model is established on the rheological-damage criterion and rheological-seepage-damage of coal(rock).Based on FEPG platform, the coupled finite element program is developed on the viscoelastic, viscoplastic and rheological damage of coal(rock), rock structure of the seepage rheological characteristics and long-damage stability are analysed. rock structure of the seepage rheological characteristics and long-damage stability are analysed.

岩体结构是非连续和非均质天然介质，具有非线性、各向异性及随时间变化的流变特性。水可诱发并加速岩体结构流变破裂失稳，是导致重大岩体工程事故不可忽略的控制因素，因此开展岩体流变-渗流-损伤耦合作用规律的研究对岩体工程的长期稳定性具有重要的理论意义和应用前景。项目在归纳、总结、综合分析岩体工程中各种失稳破坏现象的基础上，利用三轴渗透仪开发岩石蠕变-渗流耦合规律试验系统；测试不同工况下煤岩试件参数和对岩石蠕变一渗透率相互影响下流变破裂-损伤及失稳全过程曲线；建立煤岩体流变-损伤断裂判据与流变-渗流-损伤耦合模型；基于FEPG软件平台，二次开发粘弹、粘塑性等流变损伤-渗流耦合有限元程序，分析岩体结构的渗流-流变损伤特性和长期稳定性。对采煤沉陷及塌陷过程、滑坡过程等现场进行分析，为岩体变形、破坏及滑塌预测、预报和评估及现场观测提供理论基础。

煤岩结构是非连续和非均质天然介质，具有非线性、各向异性及随时间变化的流变特性。水可诱发并加速煤岩结构流变破裂失稳，是导致重大煤岩工程事故不可忽略的控制因素，因此开展煤岩流变-渗流-损伤耦合作用规律的研究对煤岩工程的长期稳定性具有重要的理论意义和应用前景。课题基于前人的研究基础，对煤破坏过程中蠕变-渗流耦合规律进行试验、有限元理论和数值模拟研究，主要内容如下：.（1）对煤岩试件破坏过程中三轴蠕变-渗流耦合进行了试验研究；研发了三轴蠕变-渗流试验系统。在峰前试验中，首先测得试件初始渗流量和逐级加载压力时瞬时变形，再测相应应力级别下12小时内蠕变量和渗流量，最后得出试件变形、渗流量与时间关系曲线，分析试件峰前裂纹扩展及蠕变-渗流特性规律，即在轴压和围压固定的情况下，渗流量和蠕变量随着孔隙水压增大而增大，表明渗流与试件蠕相互影响的耦合关系，且蠕变速率与应力加载级别变化一致。在峰后的试验中，将试件加载至破坏，并将轴压稳定在20MPa，进行24小时的试验，得出渗流量、轴向变形、轴压、围压的变化规律，分析出试件峰后的裂纹扩展、应力松弛规律规律，得出试件破坏后随着轴压逐渐松弛，轴向蠕变速率逐渐减缓，渗流量逐渐降低，围压增大并逐渐趋于平缓；基于试验结果确定破坏过程中蠕变-渗透率曲线及耦合方程；.(2) 基于弹性理论的有限元分析基本方程，引入粘弹塑性问题的本构方程，再结合弹性、弹塑性问题的平衡微分方程、几何方程及边界条件，联合建立流变问题的有限元基本方程；并应用最大拉应力理论，建立最大拉应力单元追踪法，模拟流变变形过程中裂纹的萌生、扩展和汇聚，建立蠕变破裂判断准则；同时建立了非线性损伤模型，并进行了岩石损伤过程的有限元模拟。.(3) 基于三轴蠕变-渗流试验和等效连续介质模型、流变学的理论，建立煤岩体流变场与渗流场耦合作用下的流变模型，推导相应的直接耦合总体控制方程，给出煤岩体流变场与渗流场耦合作用下的有限元分析格式，并进行了有限元程序设计；.(4) 基于流变试验和蠕变-渗流耦合有限元法，应用FEPG软件平台，编制蠕变破裂模块和蠕变-渗流耦合模块，并应用于层状边坡长期稳定性分析；通过蠕变破裂模块，分别从受法向力作用下蠕变破裂和离层蠕变破裂，分析其各设定监测点随时间演化应力变化规律、不同方向位移变化规律；通过蠕变-渗流耦合模块，分析其监测点水压和位移随时间的变化规律。