热-水-力耦合作用下非饱和土变形特性的弹塑性模拟

在已有的非饱和土水-力耦合模型基础上,耦合考虑温度影响,建立了一个热-水-力耦合作用下非饱和土弹塑性本构模型。该模型以土骨架平均应力、修正吸力和温度为应力状态变量,以土骨架应变、饱和度和熵为应变状态变量。通过引入与温度相关的屈服面(LY、TY)以及相应的硬化规律来考虑温度对土体变形的影响。利用建立的模型,对文献中不同吸力和温度条件下的等向压缩和三轴排水剪切试验进行预测,预测结果表明,该模型能够较好地定量描述热-水-力耦合作用下非饱和土的变形特性。     

基于剪切滑移的圆形洞室应力状态研究

引入一种基于滑移线上非线性本构关系的圆形洞室计算模型,并从这个模型推导得出洞室开挖后应力状态的非连续表达式。在该表达式中围岩的应力分区以及其中的应力值由一个不定的荷载参数控制。通过引入边界条件的方法确定荷载参数,解决了荷载参数不确定的问题。从围岩的应力分布状态确定荷载参数的取值范围,并计算得到不同荷载参数范围内围岩应力分布曲线。将围岩应力状态的解析解与局部剪切应变二维有限元程序的数值解进行比较验证,一致性较好。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明：孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而黏聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好地反映孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。     

非轴对称荷载下圆形隧洞围岩弹塑性分析解析解

考虑岩石材料的应变软化及扩容效应,采用岩石材料的弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变软化模型和莫尔-库仑屈服准则,推导了非轴对称荷载下圆形隧洞围岩弹性区、塑性软化区和塑性残余区的应力场、应变场、位移场和塑性区半径的近似解析解,适用于围岩塑性区较大且侧压力系数1≤λ<3的情况。该近似解析方法与有限元法的计算结果较为接近,可代替有限元方法进行简单的圆形隧洞围岩弹塑性分析。     

膨润土受热作用后的水-力性能研究

受核废料衰变热影响,处置库内缓冲层的膨润土会长期处于高温状态。经历持续高温作用后,膨润土的膨胀自愈能力能否得以保持,还没有明确的结论。利用马弗炉维持105 ℃恒温环境,对粉状膨润土持续加热到预定周期;然后,获得不同加热周期试样的水-力性能。结果表明,随着加热时间增长,膨润土水-力性能出现大幅衰减。借助X射线衍射仪测试发现持续加热90 d其晶面间距缩合,出现了硅质氧化物胶结,导致颗（团）粒集聚。其红外光谱和热重特征表明,持续加热作用脱去了蒙脱石层间离子水合水,引起部分Na、Mg离子随水分蒸发而逃逸,两者共同作用导致蒙脱石颗（团）粒发生缩合作用。通过观察其扫描电镜图片也能发现,经过90 d持续加热后,蒙脱石颗（团）粒表面不再层次分明,而是紧密地相互搭接,发生了显著的缩合行为。粒度分布特征进一步证实,膨润土经历90 d加热后,即使浸泡28 d,其颗（团）粒依然未被分散,可初步推断上述缩合行为不可逆。     

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。     

竖向圆形荷载作用下弹性地基半空间问题的解析解

竖向圆形荷载作用下弹性半空间问题的位移和应力解是桩基分析的基础。利用Hankel积分变换,首先导出了弹性地基半空间位移与应力的积分形式的通解。通过适当地引入边界条件和界面位移和应力的连续条件,求得了内部作用竖向圆形荷载时弹性地基半空间位移与应力的积分形式解。在此基础上,给出了不同深度处荷载作用投影范围内竖向位移和竖向正应力的平均值。数值结果验证了解析解的正确性。     

渗透各向异性圆形围堰稳态渗流场解析解

对渗透各向异性土层中的圆形围堰渗流场进行解析研究。将圆形围堰周围渗流场分为3个区域,通过坐标变换以及将边界条件齐次化后,用分离变量法分别得到柱坐标系下3个区域的水头分布级数解形式,结合区域间的连续条件,并利用贝塞尔函数正交性得到渗透各向异性土层中圆形围堰稳态渗流场的显式解析解,与Plaxis2D软件的计算结果进行对比,验证了解析解的正确性。基于解析解,进一步推导出了涌水量、出逸比降公式,并与不同方法的计算结果作了对比,最后对稳态渗流情况下的水压力进行了计算分析。结果表明：相比于其他近似法,解析解求取的流量、出逸比降以及渗流情况下水压力与数值计算结果高度吻合;渗流水压力会随着围堰半径、纵横向渗透系数比值的增大而减小,而后逐渐趋近于一个稳定值。     

波流共同作用下多孔介质海床动力响应的解析解

本文提出一个评价波流共同作用下多孔介质海床的孔隙水压力和有效应力动力响应的u-p近似模型。与过去相关研究主要不同处是在于本文着重考虑了潮流在该问题解析解中的作用。本文提出的解析解首先分别与实测数据和COMSOL数值解对比验证。接着以此解析解为基础进行了一系列关于流的作用的参数分析。本文首先研究了潮流对于不同海床深度的影响以及不同波流荷载下海床的动力响应问题,数值结果显示了潮流和非线性波对孔隙水压力和有效应力的重要作用。本文最后研究了不同潮流方向对海床动力响应的影响,结果显示由不同的潮流方向引起的孔隙水压力的相对变化可以达到静水压力的15%。     

平面框架-条基-饱和土共同作用的弹塑性有限元分析

利用ABAQUS软件建模,分析了平面框架-基础梁-弹塑性饱和土之间的共同作用问题.地基土的本构关系为Mohr-Coulomb模型,同时以Biot固结理论考虑饱和土的固结问题.利用所建模型,分析了土的弹塑性响应对基础沉降与基底反力的影响,讨论了地基内塑性区随荷载的开展情况,并得到了土的固结引起的共同作用系统内变形、内力以及孔压的变化情况.     

考虑饱和度修正的应力腐蚀和压力溶解作用热-水-应力耦合过程有限元分析

针对笔者开发的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力（T-H-M）耦合二维有限元分析程序中使用的应力腐蚀和压力溶解模型,引入水饱和度修正因子。以一个假设的位于含水地层中的高放废物地质处置模型,拟定3种初始裂隙水饱和度的计算工况（Sw20=1.0、0.8、0.2）进行热-水-应力耦合的数值模拟,考察岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔(裂)隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布等情况。结果显示,随着初始裂隙水饱和度的由高值到低值,应力腐蚀和压力溶解产生的闭合速率从大变小,裂隙开度由初始值趋于残余值,粗糙面接触率由初始值趋于其名义接触率的时间也增加,裂纹应力强度因子的下降亦变慢;近场的裂（孔）隙水压力的变化、分布及其流速矢量场的形态有明显的不同;3种工况的岩体中的应力量值及分布的差别不大。     

软土一维非线性固结近似解析解

软土非线性固结变形计算目前还主要依赖于数值方法,致使非线性固结理论的工程应用受到极大限制。引入经典的e-lg?' 和e-lgkv非线性关系,在自重应力均匀分布假定下通过变量代换并利用迭代法给出压缩指数Cc与渗透指数Ck比值不等于1时的非线性固结近似解析解。在Cc /Ck趋近1时本文解与其等于1时的差分解及精确解相差无几。但如果Cc /Ck值偏离1,该近似解会存在一定偏差,且偏差值会随Cc /Ck值偏离1的程度和外荷载增加而逐渐增大。在一般工程荷载作用下,如果Cc /Ck值介于0.9～1.1之间,本文解的平均固结度与差分解间最大偏差在2%左右。当Cc /Ck值在0.75～1.25之间时,本文解的平均固结度与差分解最大偏差在5%左右。如果Cc /Ck值在0.5～1.5之间,本文解的平均固结度与差分解间最大偏差在10%左右。当外荷载一定时,土层的非线性固结速率会随着Cc /Ck值的增大而减慢。如果Cc /Ck<1,土层的非线性固结速率会随外荷载的增大而加快;相反,如果Cc/Ck>1,土层的非线性固结速率会随外荷载增大而减慢。     

考虑加载过程的真空预压轴对称解析解

本文在砂井地基轴对称等应变方程的基础上,推导了真空预压荷载下的轴对称孔压、固结度解析解,该解析解利用函数模拟孔压在地表的初始条件,以考虑真空荷载的施加过程,解决了以往真空预压解孔压边界条件和初始条件在地表处的矛盾。同时也可考虑涂抹和井阻等因素,更加接近实际工程情况。通过例题与其他解答及数值解进行了验证、比较,证明了该解答的适用性,可进一步用于实际工程的设计计算。     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合作用的弹塑性有限元分析

将Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型引入笔者所研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中,并使用摩尔-库仑准则,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定弹性分析和弹塑性分析两种计算工况,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力及塑性区的变化、分布情况。结果主要显示：弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀有明显的变化,并对渗流场（孔隙水压力及流速）和应力场产生显著的影响。但两种工况弹性区中的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀差别较小。     

A semi‐analytical approach for modelling heat transfer during salt‐cavern leaching process

The use of gas‐storage caverns in salt formations is a growing industry that continues to gain momentum because it allows gas to be injected and withdrawn at high rates compared with other underground gas‐storage systems such as porous rock systems. In order to predict cavern production performances, cavern thermodynamics behaviour must be studied by higher accuracy approaches. This behaviour is extremely related to the temperature distribution in the surrounding formations. During the leaching process, the thermal equilibrium of the rock salt surrounding the cavern is extensively disrupted. The purpose of this paper is to study the heat transfer problem during the leaching process and to develop a thermal model that can be easily used in field applications. The results of this work will be the input data for the prediction of the gas temperature and pressure during cavern gas‐storage operation phase. Moreover, the developed model can find its use in the design of salt caverns since it can be coupled with geometrical modelling of salt dissolution codes. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

An elastoplastic evaluation of the stress state around cylindrical openings based on a closed multiaxial yield surface

There are many applications encountered in geo‐engineering where there is a need to evaluate the stress state around circular openings. This paper presents a new analytical solution for evaluating the stresses around a cylindrical excavation in an elastoplastic medium defined by the closed MSDP_u yield surface. The proposed formulation takes into account the 3D stress geometry with a plasticity criterion that intersects the mean stress axis on the positive (compressive) and negative (tensile) sides. The results shown here illustrate how the stress distribution and yielding zone size are affected by various influence factors. Validation of the proposed formulation is made by comparing calculated results with existing analytical solutions and a numerical simulation. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

隧洞边界超欠挖的摄动法解析分析

钻爆法施工常造成隧道边界不平整,隧道分析模型一般将开挖界面光滑处理,忽略了边界不平整对围岩应力的扰动作用。将隧道超欠挖值当作中心偏量小参数,利用摄动法得到了静水压力下圆形隧道的弹性应力解。计算分析表明:超欠挖改变了隧道洞壁附近围岩的应力状态,围岩应力随超欠开挖曲线呈波浪状变化,应力变化量与超欠挖曲线幅值及曲线斜率有关;环向应力变化最大值在洞壁处,其应力集中系数分别在超挖及欠挖顶点达到局部极大与极小值,径向应力变化最大值靠近洞壁表面,切应力变化最大值位于超挖与欠挖表面相交处;扰动应力在径向衰减较快,影响范围约为1~2倍的隧道半径。     

软土地层浅埋圆形隧道非达西渗流场解析研究

软土在低水力坡降下的渗流会偏离达西定律,即为非达西渗流模式。假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,采用镜像法原理推导了浅埋单孔和双孔圆形隧道非达西渗流场的解析解。结合算例,对浅埋圆形隧道非达西渗流解析解与达西渗流解析解进行了对比分析与验证,并对非达西渗流指数、隧道周围土体与衬砌渗流系数比值对隧道渗流场的影响进行了讨论。结果表明：非达西渗流指数、渗流系数比值对隧道渗流量和周围土体孔压均有较大的影响;随着渗流指数逐渐增大,土体内水头损失加快,隧道周围土体孔压及渗流量逐渐减小;随着土体与衬砌渗流系数比值逐渐增大,衬砌排水能力增强,隧道渗流量逐渐增大,隧道周围土体孔压减小更大。     

An analytical solution for deforming twin‐parallel tunnels in an elastic half plane

The interaction between twin‐parallel tunnels affects the tunnelling‐induced ground deformation, which may endanger the nearby structures. In this paper, an analytical solution is presented for problems in determining displacements and stresses around deforming twin‐parallel tunnels in an elastic half plane, on the basis of complex variable theory. As an example, a uniform radial displacement was assumed as the boundary condition for each of the two tunnels. Special attention was paid to the effects of tunnel depth and spacing between the two tunnels on the surface movement to gain deep insight into the effect of the interaction between twin‐parallel tunnels using the proposed analytical approach. It is revealed that the influence of twin tunnel interaction on surface movements diminishes with both the increase of the tunnel depth and the spacing between the two tunnels. The presented analytical solution manifests that, similar to most of the existing numerical results, the principle of superposition can be applied to determine ground deformation of twin‐parallel tunnels with a certain large depth and spacing; otherwise, the interaction effect between the two tunnels should be taken into account for predicting reliable ground movement. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于Levy-Mises本构关系及D-P屈服准则的轴对称圆巷理想弹塑性解

如何判断巷道开挖后在无支护反力条件下的围岩弹塑性变形及围岩应力重新分布的力学行为一直是人们研究的重点问题。卡斯特纳方程(Kastner equation)的求解存在以下不足和缺陷：(1) 对支护反力的力学处理存在缺陷,不具有工程实际意义;(2) 塑性区应力求解,没有使用到假设的理想弹塑性材料的塑性本构关系;(3) 塑性区应力求解,没有考虑沿巷道轴向方向的应力的影响。基于增量型本构关系即Levy-Mises关系及D-P屈服准则,对轴对称圆巷进行了理想弹塑性条件的求解。公式计算结果与卡斯特纳方程计算结果和数值模拟计算结果分别进行了对比分析。由于该求解弥补了卡斯特纳方程求解中忽略的3个问题,因此,其结果更具有理论意义和实践价值。