大型地下洞室高边墙的拉应变准则研究

高地应力等复杂环境下大跨度地下洞室群开挖容易诱发高边墙的脆性拉裂破坏,在Mohr-Coulomb准则基础之上,基于拉应变准则,提出大型地下厂房高边墙破坏的复合拉剪屈服准则。根据弹塑性理论,张拉和剪切屈服分别采用相关联和非相关联的塑性流动法则,详细推导了该准则在有限差分法中的计算格式,并对张拉和剪切屈服面的应力空间进行了分界。利用C语言程序编写的动态链接库文件,实现了该准则在通用软件的科学仿真计算。以高应力地区的拉西瓦水电站地下厂房为工程实例,与FLAC3D自带的拉剪屈服准则相比,基于拉应变准则的计算结果表明,大跨度高边墙拉破坏明显,塑性区以及应力松弛区的面积更小,能合理描述硬岩高边墙的脆性拉裂破坏特征。大型硬岩地下洞室群的计算分析验证了该准则的合理性和实用性     

深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型研究及其验证

采用改进的Mohr-Coulomb屈服准则(Zienkiewicz-Pande准则), 建立了能描述人工冻土3个阶段蠕变特性的黏弹塑损伤耦合本构模型. 基于该本构模型建立了模型的柔度矩阵, 将本构模型嵌入到ADINA有限元程序中. 计算表明: 数值模拟得到的人工冻土蠕变特性曲线与实测值吻合良好, 最大误差为4.8%, 说明基于改进的Mohr-Coulomb准则建立的黏弹塑损伤耦合本构模型能够准确的描述人工冻土剪切特性和3个阶段的蠕变特性.获得的本构模型具有参数少、容易确定等优点. 深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型的建立, 对于人工冻土结构物长期稳定分析和预测具有重大的理论指导意义.     

隧道爆破开挖围岩动力损伤效应数值模拟

采用数值模拟技术预估岩体开裂深度及爆破损伤影响范围对工程设计可以起到事先指导作用,对施工安全具有重大意义,其中科学的、合理的损伤模型及迭代计算方法是关键。基于FLAC3D程序的用户自定义本构模块,将考虑累积应变和荷载作用时间的Yang-Liu率相关动力损伤模型与Mohr-Coulomb弹塑性本构进行耦合,将围岩破坏过程中的损伤特性反映在荷载增量迭代计算中,形成了弹塑性动力损伤本构模型,详细推导了损伤应力修正迭代计算方法。对一圆形隧道爆破开挖进行模拟,探讨了爆破诱发的质点振动衰减特征及围岩损伤分布规律。分析结果表明,爆破产生的质点振动速度峰值与其所造成的损伤具有很好的相关性。该爆破损伤模型及模拟方法可以为类似工程提供一定参考     

考虑渗透力和原始Hoek-Brown屈服准则时圆形洞室解析解

采用原始Hoek-Brown非线性屈服准则,推导了渗透力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式。根据解析公式,绘制了渗透力作用下基于原始Hoek-Brown屈服准则的围岩特性曲线、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线、塑性区半径与围岩自重应力关系曲线,并与基于Mohr-Coulomb屈服准则以及不考虑渗透力的图形进行了对比研究,研究表明：应用原始Hoek-Brown屈服准则求出的洞室径向位移和塑性区半径都大于应用Mohr-Coulomb屈服准则求出的结果;在围岩情况较好的条件下基于原始Hoek-Brown屈服准则计算的塑性区半径远大于基于Mohr-Coulomb屈服准则算出的值;渗流效应对地下洞室的塑性区半径和洞壁径向位移的影响十分显著。     

某水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析

采用有限元方法反演某水电站地下厂房厂区初始地应力场。采用Zienkiewicz-Pande的双曲线屈服准则,对某水电站地下厂房洞室群的开挖过程进行了三维弹塑性有限元模拟。为反映锚固支护对围岩的加固作用和评价地下厂房洞室群支护参数的合理性,提出了可以考虑抗剪作用的隐式锚杆单元和可以考虑预应力效果隐式锚索单元。计算结果表明,该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是合理的,各主要洞室群的稳定性总体较好。     

深基坑开挖与支护模拟仿真分析

运用FLAC3D软件中的Mohr-Coulomb本构模型对北京市某高层住宅楼基坑工程进行了数值模拟分析,对基坑开挖、失稳破坏、边坡支护进行了评价,并对模拟结果与实测结果进行了对比,分析了基坑变形、失稳破坏和支护过程。研究表明,FLAC3D软件中的Mohr-Coulomb本构模型能够方便、准确地模拟基坑开挖、边坡的大位移失稳破坏、边坡的支护过程,其计算结果安全可靠。分析结果也证实了FLAC3D在基坑工程数值模拟方面具有良好的适应性。     

统一弹塑性本构模型在ABAQUS中的开发与应用

基于统一弹塑性本构模型的有限元理论格式,根据ABAQUS的UMAT格式要求,编制相应的接口程序,将统一弹塑性本构模型引入ABAQUS中。采用退化的统一强度模型（ 时,为Mohr-Coulomb模型）与ABAQUS自带的Mohr-Coulomb模型,对单轴试验和圆形硐室进行弹塑性分析,验证所开发材料子程序的正确性及高效性。考虑到统一强度模型的一般情况（ ）和屈服面硬化条件,对圆形硐室进行弹塑性计算,得到应力场的变化规律。所提出的研究思路具有普遍性,为采用ABAQUS平台进行本构模型的二次开发提供了借鉴和参考。     

水电站大型地下洞室长期稳定性数值分析

围岩的流变特性是影响地下洞室变形及长期稳定的重要因素。在长期荷载作用下岩体会发生流变现象,特别软弱夹层在较高应力作用下其流变特性更为显著。以某水电站大型地下洞室为例,针对该地下洞室附近围岩存在着软弱夹层,且有些软弱夹层与开挖的洞室相互交汇,基于大型岩土工程分析软件FLAC3D,采用黏弹塑性流变本构模型（Cvisc）,模拟了地下洞室围岩的流变力学行为;根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室2次支护的时间,对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后围岩的位移变形、应力场及塑性区的分布。数值模拟结果表明,由于着软弱夹层的影响,洞室围岩发生较大的变形,特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大,这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析,充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。     

考虑变形模量劣化的应变软化模型在FLAC3D中的开发与验证

FLAC3D软件中的应变软化本构模型是通过抗剪强度参数劣化来实现的,没有考虑变形模量劣化造成的影响。针对这一问题,采用了变形模量劣化的损伤本构模型,详细推导了劣化损伤本构模型的差分格式,研究该模型在FLAC3D中二次开发的流程,在VC++环境下实现了劣化损伤本构模型在FLAC3D中的二次开发;通过与深埋圆形洞室应变软化数值解算例对比,进一步验证了该模型弹塑性和损伤的力学性质,分析了变形模量劣化对围岩变形特性的影响。由于该模型能够反映围岩的劣化损伤特性和大变形特点,因此在工程应用中有一定的实用价值。     

统一弹塑性本构模型在FLAC3D中的计算格式

统一强度理论是一个有着坚实理论基础、可表达各种岩土材料强度特性且被广泛应用的新的强度理论。FLAC3D是一个具有强大的计算分析功能且专门针对岩土工程问题开发并被广泛应用的数值分析软件。若能将二者结合起来,无疑会大大促进岩土工程领域相关问题的解决。针对这一问题,研究了统一弹塑性本构模型在有限差分方法中应用的基本理论格式。根据FLAC3D软件中UDM接口计算格式的要求,将统一强度理论引入其中,详细推导了统一弹塑性本构模型在FLAC3D软件中应用的计算公式。由于统一屈服面在应力空间内由12个面组成,在应力角为[0,π/3]的范围内,统一屈服面由两个相交面组成,为计算塑性因子及处理计算中应力超出屈服面的应力调整问题,利用应力角分析了应力空间的分区,推导了区域分界面的公式。最后,编制了相应的UDM接口程序对一圆形隧洞进行了弹塑性分析,对比了计算结果与解析解,结果很好地验证了此计算格式及相应接口程序的正确性。统一强度理论和FLAC3D软件的结合,将使二者的优点得以充分发挥,以解决更多的岩土工程问题。     

基于强度折减原理的地下洞室群整体安全系数计算方法探讨

为解决大型地下洞室群的整体稳定性评价这一难题,吸收边坡强度折减有限元的优点,提出了基于强度折减技术的地下洞室群整体安全系数求解方法。该方法采用Mohr-Coulomb屈服准则,以洞室之间的等效塑性应变贯通作为洞室群整体失稳的临界判据。洞群整体安全系数计算是通过搜索折减系数F,将岩土材料的力学强度参数（黏聚力c和内摩擦角?）按F值折减代入数值计算中,使计算模型的洞室间正好出现明显的贯通性等效塑性应变来实现。拉西瓦水电站地下发电枢纽洞室群和锦屏二级水电站A、B辅助洞两个典型工程实例的整体安全系数计算表明,该方法可以便捷、客观地获得洞室群的整体安全系数,可为大型地下多洞室的稳定性评价和开挖与支护设计提供定量指标和科学依据。     

基于能量耗散的脆性岩体张开位移数值模拟

高地应力大型地下洞室群的稳定性问题一直是众多岩石力学工作者的关注热点。从张开位移的产生机制出发,结合能量耗散原理,对高地应力脆性岩体能量耗散本构方程及其工程应用做了初步的探讨。从能量耗散的角度出发,引出了加、卸荷作用时的变弹模模型,并将该理论应用到弹脆性本构方程中;利用FLAC3D软件的二次开发功能,在C++的环境下进行上述模型程序模块的编写工作,实现模型的二次开发;以锦屏一级大型地下洞室群为工程背景,进行实际工程的开挖模拟计算。模拟结果表明,考虑能量耗散的弹脆性模型能更真实地反映实际开挖情况,其结果对类似工程具有一定的指导意义。     

岩石破坏非连续变形分析弹脆性本构模型的二次开发

岩石非连续变形分析方法DDARF成功实现了模拟岩体裂纹萌生、扩展、贯通、破碎的全过程,但算法只考虑了岩体的线弹性本构模型,没有分析岩体的非线性应力-应变关系。为更符合真实岩体工程,同时扩展岩石非线性本构模型的应用范围,分别采用摩尔-库仑强度准则和最大拉应力强度准则对岩体进行剪切和拉伸破坏判断;对理想弹脆性本构模型进行算法分析,并在VC++平台下程序实现;对“自定义”的岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型与室内单轴压缩试验进行比较分析;将岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下洞室开挖,并与线弹性本构模型进行对比。结果表明,非连续变形分析方法中自定义岩体弹脆性本构模型是可行的,它能够反映岩体变形的非线性特征,与室内试验吻合度较好;非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下工程,能更安全且真实地分析洞室围岩的稳定性,进而更好地指导地下洞室的防护措施。     

岩土介质三维快速拉格朗日数值分析方法研究

研究了FLAC3D（fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions）的特点,并与有限单元法作了比较。FLAC3D方法以结点运动方程为支配方程,追踪了介质从受荷到达到平衡状态的过程,而有限元法是根据介质力学平衡方程直接求解,这是二者主要区别。FLAC3D没有采用介质真实的阻尼特性和结点质量,给出的不是介质所经历的真实过程,不能正确反映过程的影响,因此给出的介质应力和变形计算结果的物理意义是不甚明确的。求解过程中的介质振动,是一种噪音,可引起弹塑性介质计算结果误差,而弹性介质的计算结果几乎不受影响。研究指出了FLAC3D方法的优缺点。还通过算例作了四个方面的研究：(1) Drucker-Prager屈服准则与Mohr-Coulomb屈服准则比较;(2) 膨胀角取值对计算结果的影响;(3) 大变形与小变形对计算结果的影响;(4) 精度设置对计算结果的影响。研究表明,Drucker-Prager准则与Mohr-Coulomb准则结果差异颇大;膨胀角取值对结果的影响是敏感和显著的;一般情况下,取小变形模式是合适的,计算精度取10-5是足够的。     

龙滩地下洞室群围岩稳定性分析

大型地下洞室群的开挖和支护结构与围岩的稳定性密切相关,龙滩地下洞室群是布置在陡倾角层状结构岩体的巨型地下结构。应用FLAC3D方法,研究龙滩地下洞室群在开挖和支护过程中围岩的变形特征以及支护结构的受力特点,并将位移计算结果和现场监测结果进行比较,结果表明：数值计算的结果与监测结果规律基本一致,但数值计算位移的量值比监测结果略大。由此可知,采用本计算方法模拟急倾斜岩体内开挖大型地下洞室群具有较强的可靠性。     

层状岩体地下洞室的Cosserat理论有限元分析

采用一般有限元对互层岩体进行数值分析研究时,要求的单元数量多、建模工作量大;并且难以反映层状岩体的弯曲变形特性。针对这种岩体Cosserat介质模型是一种很有用的有限元等效模型。首先对基于平面应变问题的Cosserat介质理论及扩展模型简略介绍,然后导出了模型的Mohr-Coulomb塑性屈服条件。再利用Matlab平台编制有限元程序,并对地下洞室工程进行数值模拟。将所得结果与传统连续介质法的结果进行对比。结果表明,基于Matlab的Cosserat有限元程序的有效性及解决互层岩体这类问题的适用性与优越性。     

高地应力下硬岩的本构模型研究

传统的本构模型在模拟高地应力下硬岩破坏的范围和深度方面并不理想。针对高应力下的拉西瓦花岗岩,通过真三轴压缩试验模拟了开挖时应力路径的演化。在摩尔-库仑强度准则、格里菲斯强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论和霍克-布朗强度准则的基础上,考虑十二面单元体主剪面上主剪应力、正应力和静水压力的共同作用,提出了一个有关高应力下硬岩的三剪强度准则。根据试验结果,利用遗传算法全局寻优的功能,搜索出了三剪强度准则的参数。预测样本和与摩尔-库仑强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论的比较表明,该三剪强度准则与试验结果吻合,适用于高地应力下的硬岩。根据试验得到的应力-应变关系曲线,建立了基于三剪强度准则和应变软化的弹-脆-塑性本构模型,并用FLAC3D提供的基于C++的用户自定义模型工具UDM,创建了用户自定义模型的动态链接库,嵌入了FLAC3D软件。采用遗传算法-FLAC方法,搜索得到了基于岩石试样和岩体的本构模型参数。计算结果与实测情况吻合,表明建立的本构模型适用于高地应力下的硬岩,为高地应力下硬岩地下工程的安全性和稳定性分析奠定了基础。