基于影响因子修正的岩石损伤力学模型探讨

针对现有岩石损伤模型的局限性与不足,在深入探讨岩石变形损伤机制的基础上考虑岩石损伤的过程,提出损伤部分可分为损伤材料和因材料损伤而变化的微缺陷。在该基础上提出新的损伤定义,还提出了损伤材料与因材料损伤而变化的微缺陷之间的影响因子?,同时提出其参数确定方法,研究其基本性质。通过岩石微观受力分析,建立了岩石损伤模型。通过深入研究岩石有效应力与名义应力的关系,并引进统计损伤理论,建立岩石损伤统计本构模型。该模型能够充分地反映岩石的应变软化特性和应变硬化特性,且参数物理意义明确,应用将较为方便。最后,与实测结果及前人成果的比较分析,验证了该模型的合理性、可行性。     

基于非线性损伤理论的改进CVISC模型及其在FLAC3D中实现

滑坡形成是一个典型的岩土变形破坏时效过程,低速滑坡时效过程尤为显著。基于流变理论,建立反映滑坡变形破坏发展过程的本构模型、预测滑坡活动趋势,一直是国内外滑坡研究的基本途径和难点问题之一。然而,目前国内外已有的多数流变模型仅能反映滑坡岩土蠕变的第一、第二阶段,不能刻画滑坡岩土蠕变的第三阶段（加速蠕变阶段）。本文基于滑带在滑坡中的作用以及滑带岩土剪切蠕变发展的累进性和非线性特征,借助损伤理论,在FLAC3D内置的CVISC流变本构模型中引入非线性损伤黏塑性元件,构建了可描述滑坡加速蠕变过程的非线性损伤流变本构模型,依据类比原理建立了改进的CVISC三维差分模型,通过FLAC3D开放的用户接口实现了本构模型的二次开发,并将改进的CVISC模型用于长期缓慢滑移、伴随间歇性剧烈活动的甘肃舟曲泄流坡数值模拟中。模拟结果显示,该模型不仅呈现了滑坡的加速蠕变特征,而且揭示的滑坡活动特征与其曾经出现的活动特征基本一致,从而证实基于非线性损伤理论的改进CVISC模型具有较好的有效性。     

考虑损伤门槛的统计损伤本构模型研究

在统计损伤理论的基础上,从统计损伤本构模型的一般性公式出发,考虑到岩石的受力状态,提出统计损伤本构模型应考虑损伤门槛的影响,建立了考虑损伤门槛的统计损伤本构方程。以石膏角砾岩的常规三轴试验结果作为实例,进行了验证。理论计算结果与试验结果对比表明,考虑损伤门槛的统计损伤本构模型是更加合理的。     

考虑损伤的节理本构模型

本文在弹塑性损伤的理论框架内,讨论了节理等地质间断面的本构模型。这个模型能够反映节理面的损伤弱化,扩容和弹性刚度劣化等复杂特性。这个模型的另一优点是,塑性变形增量与屈服面是非正交的,但本构矩阵具有对称性。这种对称性在岩石力学的理论研究和数值分析中是至关紧要的。     

基于Burgers模型考虑损伤的非定常岩石蠕变模型

Burgers模型只能描述岩石蠕变的前两个阶段,为了描述蠕变全过程,考虑蠕变参数的时间效应及损伤带来的影响,采用非定常黏性元件取代Burgers模型中串联的定常黏性元件,使其能描述加速蠕变阶段。根据损伤变量的变化特征,假定了一个函数,经过Lemaitre应变等效原理,代入Kelvin模型可得到能描述蠕变衰减阶段的模型。试验数据拟合结果显示,改进的Burgers模型能很好地描述加速蠕变阶段,模型拟合曲线与试验曲线基本吻合,相关系数高,参数取值也在合理范围内;非定常Burgers模型更适合描述不同应力下的岩石蠕变特征曲线。     

冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型

冻融交替对岩石宏观强度产生弱化。基于冻融循环条件下的压缩试验结果,利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化,建立岩土材料的损伤模型。结果表明:随着循环次数的增加,砂岩的力学强度参数均逐渐减小,抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到49.70%、83.40%,意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著;定义岩石综合损伤变量,得到损伤演化特征曲线,基于高斯函数变化特征,构建冻融循环条件下材料损伤本构模型,对比分析试验与模型曲线,发现该模型能够较好地描述试验结果。基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征,研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考。     

岩石类材料的能量基率相关弹塑性损伤模型

岩石类材料的动态本构模型研究是岩石动力学理论研究的基础问题。相比于其他的非线性理论,损伤力学理论已证实可成功地模拟岩石类材料的应变软化和渐进破坏等特征,可用于解释其静、动态破坏机制。现有的通过理论推导得出的动态本构中大部分并未考虑损伤因素,而通过维象学试验方法建立起的动态本构则缺乏损伤力学理论基础。为此基于弹性余能等效原理和损伤力学的基本概念,并结合动态试验,推导建立了岩石类材料的率相关弹塑性损伤模型。并通过与文献中的试验资料对比,证明了模型的有效性,为岩石类材料组成的结构的动力响应研究奠定了基础。     

泥岩弹塑性损伤本构模型及其参数辨识

以连续介质力学和不可逆热力学为基础,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,建立了泥岩弹塑性损伤本构模型反映泥岩软硬化行为,通过构建损伤势函数导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构模型及其参数反演程序。并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数。研究成果表明,所提出的弹塑性损伤本构模型能有效地描述泥岩在不同应力状态下的力学特性。     

基于硬化-损伤机制的贫煤蠕变本构模型研究

岩石蠕变是其内部硬化效应和损伤效应共同作用演化的结果。通过分级加载下贫煤单轴压缩蠕变试验,基于试验中瞬时弹性模量增大和黏滞系数减小的现象,分析贫煤蠕变中的硬化-损伤机制。结果表明,较低应力下煤样的变形仅为瞬时应变,煤样仅有硬化效应;当应力达到蠕变起始应力阈值时煤样逐渐出现损伤,次生裂纹出现并扩展,硬化效应与损伤效应共同作用下煤样表现出衰减蠕变和稳定蠕变特征。长期蠕变过程中煤样强度经历先硬化再弱化的过程,最终因累计损伤过大而失稳破坏,依据各级应力下煤样的变形特征,构建了符合其变形规律的黏弹塑性组合模型,并引入了硬化函数和损伤函数,推导得到其蠕变本构方程。采用该模型描述分级加载下贫煤单轴压缩蠕变变形曲线,试验曲线和模型曲线吻合良好。该模型元件简单,物理意义明确,能很好地反映贫煤单轴压缩下的硬化–损伤蠕变特性。     

基于土拱效应的改进抗滑桩最大桩间距计算模型

在目前抗滑桩工程中,抗滑桩布设参数的选取一般多依据工程经验确定,缺乏理论基础的支撑,过分偏于保守的设计会造成一定的投资浪费。根据对抗滑桩与滑坡体相互作用过程的分析,指出抗滑桩桩间土拱是土拱效应作用过程中的最后阶段,并对抗滑桩最大桩间距模型的理论基础进行了论证。在原有对抗滑桩桩间土拱效应研究的基础上,提出了基于土拱效应的改进抗滑桩最大桩间距计算模型。通过滑坡工程实例的对比研究发现,最大桩间距模型比原有计算模型具有更好的工程适用性,可为抗滑桩工程中抗滑桩间距的确定提供科学的依据。     

节理岩体能量损伤本构模型与工程应用

本文根据Betti能量互易定理,节理岩体能量损伤演化方程,广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了节理岩体的能量损伤本构模型,并将该模型编制成三维非线性有限元计算程序应用于溪洛渡地下厂房洞室群施工开挖稳定性分析,获得了较为满意的计算结果。     

黄土损伤与流变耦合模型及参数研究

以试验为基础,对不同含水量Q3黄土的蠕变特征进行了分析研究,结合黄土结构损伤特性及其对黄土力学特征影响,通过考虑结构损伤对变形模量的劣化来反映黄土结构性对蠕变规律的影响,提出了黄土损伤与流变耦合作用的本构模型。该模型不仅具有参数少的优点,而且能够准确描述黄土的突发性破坏特征。利用结构性软土流变的研究成果,给出了黄土流变模型参数的确定方法,并对模型参数随非饱和黄土含水量变化的规律进行了研究。数值模拟结果表明,该模型能够很好地描述黄土的加速蠕变阶段的变形特征。     

基于统计损伤模型的直立层状岩质边坡失稳模型

根据直立层状岩石边坡的实际失稳模式,基于欧拉压杆失稳模型建立了直立层状岩石边坡在自重荷载作用下的失稳计算模型及临界高度计算方法。同时基于岩石内部含有初始损伤的客观事实,建立了基于统计损伤模型的直立层状岩石边坡失稳模型,并对两种不同模型的计算结果进行了讨论。研究结果表明,根据自重荷载作用下的失稳计算模型计算得到的直立岩质边坡溃屈失稳破坏临界高度约为其他研究者相应计算结果的75%,更符合边坡的实际受力特征及破坏情况。基于岩石统计损伤本构模型提出的直立层状岩石边坡失稳模型不但考虑了岩石的弹性模量等参数,而且结合了应力-应变曲线等特征,得出的结果也更符合实际。研究还发现计算参数m、ε0的变化对计算结果有较大影响,说明在类似问题中考虑岩石的损伤演化特性十分必要。     

甘肃甘谷裂隙泥岩剪切蠕变行为及其修正模型研究

岩石在长期荷载作用下表现出典型的蠕变特性,裂隙泥岩在长期荷载作用下的力学性质不同于完整岩石。对甘肃甘谷赵家窑滑坡钻孔取芯的裂隙泥岩开展剪切蠕变试验,探讨轴向压应力、预制裂隙长度等因素对试样剪切蠕变特征的影响。试验结果表明:轴向荷载和裂隙长度对试样剪切蠕变特征有明显的影响。轴向压应力越大,试样剪切蠕变变形越不明显;裂隙越长,试样剪切蠕变变形越显著。应力较低时,如Cvisc模型等蠕变模型能够较好反映泥岩的蠕变力学特性。而在加速蠕变阶段,大多数模型却不能准确体现泥岩蠕变曲线的非线性变化。改进的西原模型克服了传统模型不能对非线性蠕变特征进行描述的缺点,且模型参数较少,能较好地适用工程软弱岩体。不同载荷作用下泥质软岩试样剪切蠕变过程中,裂隙泥岩剪切破坏带形成表现为渐进与突发相结合。泥岩的剪切蠕变力学模型可解释泥岩滑坡的多种现象,边坡潜在滑移带内泥质软岩发生的剪切蠕变则是泥岩滑坡的内在诱因。     

红板岩材料隐式本构模型的建立及其应用研究

针对红板岩材料在岩土工程中所表现的大量模糊的和不确定的因素等特点,基于人工神经网络的学习能力,借助于室内岩石力学试验,进行了对该材料的力学本构特性进行了神经网络模拟研究,提出了隐式本构模型的思想和方法,并通过该方法对该岩石的流变试验结果进行学习,获得了以网络权值结构保存的力学特性知识,由此得到了表征红板岩应力应变本构关系的隐式本构模型。应用结果表明,该方法对岩土类材料本构关系的模拟研究具有很好的应用前景。     

基于GIS和信息量模型的京张高铁滑坡易发性评价

新建京张铁路不仅是2022年北京冬奥会的配套交通保障设施,同时也是京包兰交通廊道的重要组成部分。在京张高铁沿线滑坡灾害调查的基础上,对影响滑坡灾害发育的相关因子进行统计分析,选取斜坡坡高、坡度、坡向、归一化植被指数、工程地质岩组、活动断裂、河流、年平均降雨量、地震和人类工程活动等10个要素作为评价模型计算的基本变量和数值化参数,采用基于GIS的信息量模型法对在建京张高铁沿线及邻区进行了滑坡灾害易发性评价,并将评价结果划分为5个等级:极低易发区、低易发区、中易发区、高易发区和极高易发区。结合野外调查成果,对评价结果的可信度进行了检验分析,评价结果与实际灾害发生情况基本吻合,研究结果可为京张高铁建设、减灾防灾提供基础依据。      

带压安全开采预测模式及应用方法研究

通过对实际资料分析,研究了影响煤层底板突水的主要因素。依据试验获得的参数,建立了华北地区带(水)压开采评价准则及预测模式;并举例说明了应用方法。最后对华北典型大水矿区进行了总体分区,提出了相应的防治措施。      

基于改进的遗传算法边坡稳定性分析方法及其应用

在遗传算法和瑞典条分法的基础上,提出了对边坡临界滑裂面的搜索方法及其最小安全系数的求解方法.文中利用安全系数的倒数作为目标函数,可行域根据实际边坡的尺寸和经验给出,而且在计算过程中根据目标函数值进行调节,逐步缩小搜索空间,使搜索效率提高.算法中利用了十进制遗传算法的改进操作优体克隆操作和子体优生操作,提高了搜索的速度和精度.     

基于3D影像模型的长白山天池地质灾害现状与潜在危害分析

通过遥感解译及野外调查工作,查清了长白山天池地区主要地质灾害分布现状及规模,分析了灾害发生的机理,编制了地质灾害危害区划图,能够为相关防灾减灾部门提供决策依据.     

浙江省常山岩前钨矿找矿模型的建立及其应用

通过对常山岩前钨矿区矿床地质、物探、化探资料的收集和分析,建立起该类型矿床的成矿模式及找矿预测模型,在岩前成矿远景区圈定出最小预测单元4个,其中2个A级预测单元、2个C级预测单元,并利用MRAS软件预测了钨金属资源量。