岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。     

基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究

大多数岩石材料软化本构模型在硬化函数中引入塑性内变量来表示材料的硬化/软化性质,但并不能反映岩石微裂隙损伤对材料力学性能的影响及单轴拉伸和压缩所表现的初始屈服强度f0与屈服极限fu的差异。基于D-P准则同时考虑塑性软化及损伤软化,建立岩石类材料的弹塑性本构关系及其数值算法。塑性屈服函数采用Borja等的应力张量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;由于岩石损伤软化是微裂隙扩展所导致的体积膨胀引起的,因此,提出用体积应变表征岩石损伤变量的演化,并用回映隐式积分算法编制了岩石的弹塑性损伤本构程序。对单轴压缩及拉伸荷载作用下的岩石材料试验进行数值模拟,结果表明,所提出的岩石弹塑性损伤本构模型可以较好地符合岩石材料的力学特性。     

岩石摩尔-库仑弹塑性损伤本构模型及其主应力隐式返回映射算法研究

在弹塑性损伤理论框架内考虑岩石的塑性变形机制和刚度退化,建立基于Mohr-Coulomb(M-C)屈服准则的弹塑性损伤模型,采用内变量即等效塑性应变表征岩石损伤变量的演化。由于M-C屈服准则在应力空间为一个六棱锥,在数值实施过程中六棱锥角点和棱线上的应力更新存在"奇异性"问题,角点光滑化方法可以处理该问题,但其不可避免的导致近似的计算结果。在M-C本构数值积分算法的基础上,推导弹塑性损伤本构方程的主应力空间隐式返回映射算法,包括弹性预测、塑性修正和损伤修正3个主要计算步骤。在塑性修正过程中,针对流动向量返回到主平面、左右棱线和尖点3种情况分别进行讨论,从主应力空间的角度出发解决"奇异性"问题。采用面向对象的编程方法,使用C++语言开发弹塑性损伤本构求解程序(RDM-C),并采用单轴压缩试验、地基和洞室算例对程序计算的结果进行分析和验证。研究结果表明,所建立的弹塑性损伤本构模型能够较好地描述岩石材料主要的力学和变形特性、塑性区和损伤区变化趋势。基于主应力空间的隐式积分算法所开发的程序可以进行岩土工程问题的数值分析,对现场施工提供指导和理论依据。     

恒载作用下轴对称圆巷围岩的流变变形方程求解

建立围岩-支护相互作用流变变形机制的数学力学模型是解决岩石地下工程支护问题的有效途径,其关键问题是,在围岩产生流变变形的过程中支护是如何对围岩进行作用的。根据基于Levy-Mises本构关系及D-P屈服准则的轴对称圆巷的理想弹塑性解、一维蠕变曲线的等时曲线相似的假设以及三维流变试验结果,推导出了原岩应力和被动支护反力均为恒载,且巷道围岩为三维应力状态下的蠕变方程及轴对称圆巷围岩的非线性黏弹塑性流变变形计算公式。与前人的工作相比,文中推导的公式中含有对围岩流变变形起决定作用的2个参数,即原岩应力 和岩石材料的单轴塑性屈服应力 ,因此公式推导的理论基础更加完备、可信度更高。     

单轴压缩非贯通节理岩石尖端塑性区及弹塑性断裂模型研究

基于Drucker-Prager（下简称D-P）准则,建立压缩载荷作用下的非贯通节理岩石的弹塑性断裂模型。针对节理岩石小范围屈服翼裂纹尖端塑性区,推导了D-P屈服准则的纯I、纯II及I、II复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数,并与Mises准则的塑性区进行对比;结果表明,D-P准则的I型和复合型塑性区较Mises屈服准则的塑性区大,且其II型及I、II复合型塑性区在翼裂纹上下表面不连续。进一步,引入断裂软化因子以表征节理岩石裂隙断裂扩展后的断裂软化规律,考虑非贯通节理岩石复合型断裂软化,是由于节理尖端翼裂纹应变能密度超过最小应变能密度导致其成核扩展引起的,提出用应变能密度的指数函数形式表征断裂软化变量的演化;塑性屈服函数采用Borja等的应力张量3个不变量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;建立节理岩石的弹塑性断裂本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性断裂模型的程序。以单轴压缩下非贯通节理岩石为例,分析岩石断裂韧度、节理摩擦系数和节理倾角等参数的影响,结果表明,所提出的弹塑性断裂模型与数值和试验结果比较吻合。     

弹塑性耦合应变定义与本构方程

岩石屈服之后,弹性参数随塑性变形而变化,即岩石具有弹塑性耦合特征。在弹塑性耦合框架和现有应变分类、定义、本构方程研究的基础上,主要做了以下工作：结合岩石压缩试验,从损伤和塑性变形角度分析了弹性参数随塑性演化的现象;重点研究了加载增量步的应变特征,将与加载应力增量对应的应变增量分解为符合广义Hooke定律的弹性应变增量 、不符合广义Hooke定律的弹性应变增量 和塑性应变增量 ;通过采用加载增量步之后的弹性参数将 与 构造弹性关系,分别在应变空间和应力空间中建立了适用于加载、中性变载和卸载条件的本构方程;对表征物质微观结构变化的内变量进行了讨论。所提出的应变分类和定义方法概念清晰,适合于应变强化阶段和应变软化阶段,且所建立的弹塑性耦合本构方程能够反映不同加载条件对弹性参数变化速率的影响,符合岩石的弹塑性耦合力学特性。     

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。     

非饱和土化学-塑性耦合本构行为的数值模拟

基于Hueckel提出的饱和黏土化学-塑性本构模型和Gallipoli提出的非饱和土弹塑性本构模型,提出了一个新的非饱和多孔介质的化学-塑性本构模型,并建立了该模型的隐式积分算法,算法中考虑了化学软化和非饱和吸力的影响。在已有的非饱和多孔介质有限元分析程序平台上进行了程序研发,对孔隙水中化学污染物浓度变化对非饱和土力学行为的影响进行数值模拟,使所研制的程序能够进行岩土工程问题的化学-力学耦合非线性分析。     

黏弹-双曲线Drucker-Prager塑性模型应力更新隐式算法

黏弹-塑性模型是由黏弹性模型与塑性元件串联而成,可视为黏弹-黏塑性模型中黏塑性黏度参数趋于0的一种极限情况,为黏弹性材料的结构破坏分析提供了一个途径。把黏弹-塑性模型的应变增量分解为黏弹和塑性增量两部分,考虑黏弹性应变历史,把黏弹性积分型本构关系在一个时步内线性化,定义与时间增量相关的剪切模量和体积模量,导出应力递推公式,把黏弹-塑性本构积分转化为与弹塑性相似的形式。针对由黏弹性和双曲线Drucker-Prager塑性、各向同性硬化的黏弹-塑性模型,通过黏弹性预估和塑性校正"二步"算法实现对应力的更新,给出完全隐式算法和最终的计算公式。算例比较分析表明,由于迭代过程中仅需要简单的函数计算,该算法具有很好的收敛性。一般经过2次迭代运算后,屈服函数值已达到10-10的量级,应力点便返回到屈服面上。     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞解析解

针对脆性岩石的损伤特性引入脆性损伤模型,导出三维各向同性损伤情况下的损伤变量表达式。在考虑损伤、不同工况主应力对应关系和渗流作用影响下,推导出圆形水工隧洞洞周围岩的弹塑性应力和塑性半径的解析解。对岩石的脆性特性的研究表明,考虑脆性损伤时的洞周围岩塑性半径比不考虑时有一定程度提升;围岩脆性特征越明显,塑性半径越大。无论洞周围岩应力状态如何,考虑渗流影响后,洞周围岩塑性区范围均会有所扩展。在内水压从0逐渐增加过程中,塑性半径随内水压增加而逐渐减小,直至塑性区消失,在超出临界内压后,塑性区重新出现,塑性半径逐渐增大。     

厦门海底隧道顶板厚度选择及其开挖稳定性分析

在厦门海底隧道轴线的地质剖面图上,选取了4个典型的剖面,应用多裂隙岩体三维弹塑性本构关系和损伤演化方程进行数值分析研究,得到了应力分布、洞周位移、塑性区、损伤区等结果。通过对应力扰动区的分析,以及隧道轴线位置、轴线升高或降低后各剖面应力扰动范围与弱风化层厚度的对比,很容易确定厦门海底隧道的最小顶板厚度;根据应力分布、洞周位移、塑性区、损伤区结果,评价了海底隧道的开挖稳定性。二者的有机结合,说明了将设计方案的轴线位置提高4 m后隧道是稳定的。     

考虑地下水、注浆及衬砌影响的深埋隧洞弹塑性解

对于深埋隧洞,地下水-围岩-注浆圈-衬砌共同形成了一个水压平衡体系,传统的隧洞应力与塑性区计算方法均未同时考虑上述4个因素的共同作用。以深埋隧洞为研究对象,将围岩、注浆圈、衬砌视为均质各向同性连续弹塑性介质,基于地下水动力学、弹塑性力学及摩尔-库仑屈服准则,推导了4个因素共同作用下深埋隧洞轴对称问题的应力弹塑性解与塑性区计算公式;利用Matlab编制程序对某隧洞工程进行了计算,并与传统计算方法进行了对比,验证了公式的正确性,指出了传统计算方法的缺陷;讨论了注浆参数对塑性区的影响规律,提出了最优注浆圈厚度的确定方法。     

黄土连拱隧道动态施工围岩损伤局部化研究

为了研究黄土连拱隧道动态施工时围岩的损伤情况和损伤分布规律,在室内试验的基础上推导了Q2黄土的弹塑性损伤本构模型,并基于FLAC3D平台编制了自定义本构模型,提出了损伤度概念并编制了损伤度后处理模块。以国内首条高速公路黄土连拱隧道-离石隧道为依托工程,对两种开挖方案施工时围岩损伤情况进行数值分析。研究表明,该成果可以较好地掌握隧道每一开挖步后围岩损伤度的分布情况和损伤区的演化规律,为施工方案优化选择提供依据。该研究成果为地下工程支护参数优化和方案的选择开辟了一个新的方向。     

非线性硬化与非线性软化的巷、隧道围岩塑性分析

在符合岩体实际的弹性、应变非线性硬化和具拐点的非线性软化的三段式光滑连接应力-应变关系条件下,求得静水压力下圆形巷、隧道围岩塑性硬化区和软化区的应力分布表达式。证明了所求得的巷道围岩径向和切向应力曲线在硬化区半径 和软化区半径 处均光滑连接,特别是所求得的切向应力 - 曲线没有尖峰向上的应力集中,此结果与日本学者久武胜保的试验结果一致。指出基于理想弹、塑性本构模型的Kastener解有明显缺陷,其 - 曲线尖峰向上的应力集中与实际不符。     

An improved return‐map stress update algorithm for finite deformation analysis of general isotropic elastoplastic geomaterials

This paper develops a novel return mapping algorithm for the numerical integration of general isotropic finite strain elastoplastic constitutive models for geomaterials. The constitutive formulation is founded on multiplicative decomposition of the deformation gradient. The logarithmic strain measure as well as the exponential approximation of the plastic flow rule is utilized to restore the standard infinitesimal format return mapping algorithm. Central to the algorithm is the exploitation of a set of three mutually orthogonal unit base tensors for the representation of constitutive relations and the corresponding integration of the rate form of the constitutive equations. The base tensors constitute a local cylindrical coordinate system in the principal space, which allows to formulate the return mapping algorithm in the three‐dimensional space and reduce the dimension of the problem to be analyzed from six down to three. With the proposed approach, direct determination of the principal axes and the transformation procedure between the general space and the principal space, as required in traditional spectral decomposition, are avoided. Furthermore, the matrices that are involved in the inversion evaluation take simple forms, leading to extremely easy inverse computation. As a result, the consistent tangent operator can be streamlined into a form simpler and more compact than those by conventional integration methods. Following the formulation of the integration procedure, a numerical experiment is performed to assess the accuracy and efficiency of the proposed algorithm. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Hoek-Brown准则的主应力回映算法及其二次开发

在弹塑性模型数值实现的过程中,需要进行应力更新的回映算法。针对三维应力空间回映算法在奇异点收敛性方面的不足,提出主应力空间的回映算法,讨论了算法实现过程的应力空间转化问题,分析了应力更新过程中确定回映区域的方法,建立了相应的一致性刚度矩阵。基于大型有限元软件ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT接口,利用 Fortran 编程语言,实现了Hoek-Brown准则主应力空间的隐式积分算法,利用开发的模型,进行了岩石常规三轴压缩试验的数值模拟,通过与ABAQUS内部的Mohr-Coulomb准则计算结果的对比,验证了模型和程序的可行性和准确性