摘要
随着我国北方岩体工程建设的开展，低温、水、应力和化学(多场环境)综合作用下岩体工程的长期稳定性问题日益突出，而剪切蠕变特性是岩体工程的重要力学特征之一，与岩体工程的长期稳定性密切相关，因此开展多场环境作用下岩体剪切蠕变特性的研究具有重要的工程价值和学术意义。考虑岩体主要由岩石和结构面组成，本文选取北方典型的花岗岩岩石、花岗岩天然结构面和水泥砂浆结构面为研究对象，针对多场环境的典型作用，分别开展了干湿循环、冻融循环、冻融-化学腐蚀和孔隙水压力作用下的剪切蠕变试验，并建立了对应的蠕变损伤模型。基于3DEC平台，开发了多场环境作用下岩石和结构面三维蠕变损伤模型的数值程序，并通过试验和工程算例对其进行验证和应用。具体的研究内容如下： (1) 开展了多场环境(干湿循环、冻融循环和酸性冻融循环)作用下花岗岩细观结构观测和剪切蠕变试验，分析了多场环境作用对花岗岩细观损伤特征、蠕变变形、蠕变速率和长期剪切强度等的影响规律，揭示了多场环境作用下花岗岩的损伤劣化机理。试验表明，随着环境作用的加剧，试样的蠕变变形量、蠕变速率和损伤因子逐渐增大，而瞬时剪切模量、破坏应力和长期剪切强度均呈现降低趋势。基于西原模型，定义了环境和荷载耦合的损伤变量，建立了能够反映多场环境作用的花岗岩剪切蠕变损伤模型，并基于试验数据验证了模型的有效性。 (2) 通过自主研发的具有精度高、速度快等优点的结构面三维形貌激光测试仪获取了花岗岩结构面的三维形貌参数，开展了不同三维粗糙度花岗岩结构面的剪切蠕变试验研究。在此基础上，进行了冻融-化学腐蚀作用下花岗岩结构面三维形貌参数测量及剪切蠕变试验，分析了冻融-化学腐蚀对结构面三维形貌参数的影响规律，并探明了冻融-化学腐蚀对结构面剪切蠕变特性的影响。试验表明，随着冻融-化学腐蚀次数的增加，结构面的瞬时变形、蠕变变形和蠕变速率逐渐增大，而瞬时剪切模量和长期剪切强度逐渐降低，且对结构面蠕变参数影响程度从大到小依次为H2SO4溶液、NaOH溶液和NaCl溶液。基于Burgers模型，定义了冻融-化学腐蚀和荷载耦合的损伤变量，建立了考虑冻融-化学腐蚀作用的结构面剪切蠕变损伤模型，并通过试验数据验证了模型的合理性。 (3) 自主研制了结构面一体化制作模具和剪切渗流密封系统，开展了孔隙水压力下锯齿状结构面的剪切蠕变试验，随着孔隙水压力的增大，结构面瞬时位移、蠕变位移和稳态蠕变速率逐渐增大，剪切蠕变后被剪断的齿形结构也逐渐增多，而蠕变时长、破坏应力和长期剪切强度均呈降低趋势。在此基础上，以天然花岗岩结构面为原型制作了水泥砂浆结构面，开展了孔隙水压力下结构面的剪切蠕变-渗流试验，分析了瞬时、减速、稳态和加速蠕变阶段结构面剪切位移和渗透率的演化规律。基于非线性蠕变理论和分数阶微积分理论，引入了分数阶黏性元件，考虑孔隙水压力和荷载耦合损伤对蠕变参数的影响，建立了结构面的分数阶非线性剪切蠕变模型，并基于试验数据验证了模型的合理性。 (4) 在上述研究的基础上，推导了多场环境作用下岩石和结构面的损伤变量演化公式，建立了岩石三维蠕变损伤模型。并将结构面的切向刚度转化为符合Burgers蠕变损伤模型的时间函数，在连续屈服C-Y节理模型基础上，建立了结构面蠕变损伤模型。基于3DEC平台进行二次开发，编写模型程序，并通过试验数据验证了模型的合理性。最后，将开发的模型应用到北方隧道长期稳定性分析中，分析了冻融-化学腐蚀次数、结构面分布、蠕变时间和孔隙水压力对隧道蠕变特性的影响规律。计算结果与已有文献研究基本一致，说明了该模型能够合理地反映多场环境的作用，为寒区岩体工程的长期稳定性分析提供了有效的计算方法。
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