岩体粘弹塑性-损伤本构模型及其有限元分析

本文将损伤力学的原理引入岩体流变学的研究,建议了一个损伤演化方程以描述岩体力学性质随时间不断弱化的现象。系统地推导了有限元计算公式。地下巷道位移的实测验算表明,本文的本构模型是合理而有效的。     

渤海海冰动力学中的粘弹塑性本构模型

在粘塑性海冰本构模型的基础上,将Kelvin-Voigt粘弹性本构理论引入到海冰动力学中,进而建立了粘弹塑性海冰本构模型.该模型可较好地反映渤海海冰在小应变和小应变率条件下的粘弹性力学行为,同时还考虑了大应变率下的海冰粘塑性力学行为.对渤海辽东湾海冰进行了48h数值模拟.结果表明:粘弹塑性海冰本构方程较Hibler的粘塑性本构模型可更好地处理渤海的冰间相互作用,提高海冰数值模拟的计算精度.     

水玻璃加固土的弹塑性破坏模型

水玻璃加固土虽然可以被看作为一种弹塑性介质,但是很难用通常的弹塑性模型来描述.本文通过对一系列损伤模型的分析,分别推导建立了水玻璃加固土的弹性与损伤、塑性与损伤本构关系并建立了水玻璃加固土的弹塑性损伤模型.通过与试验结果的对比,证明了本文所建立的水玻璃加固土的弹塑性损伤模型是合理的.     

土体弹塑性本构模型研究概述

土的本构模型是对土体进行研究和土工数值分析的关键。本文对土体弹塑性本构模型的发展过程加以介绍，并侧重介绍了近年来正在发展中的模型。     

基于FLAC3D岩石黏弹塑性流变模型的二次开发研究

由于岩土介质的复杂多样性,通用分析软件所提供的岩石流变本构模型往往不能满足工程实际数值分析的需要。依据FLAC3D（Version 2.1）所提供的二次开发程序接口,结合西原黏弹塑性流变模型分析了二次开发程序运行的基本原理,给出了西原流变模型具体实施的程序框图和代码编写中应该注意的几个关键技术。通过一个简单的算例验证了程序编制的正确性与可靠性。由于采用了面向对象的程序技术,FLAC3D二次开发接口更加简单实用,提供的研究思路可为其他流变本构模型的二次开发提供参考。     

非饱和黄土的弹塑性软化本构模型

通过对陕西杨陵地区的非饱和黄土进行等应力比压缩试验和常规三轴试验,在对试验结果的应力-应变曲线特性进行分析的基础上,由试验结果直接确定屈服函数,根据Drucker公设,即相适应的流动法则,选择合适的硬化参数,建立了非饱和黄土的弹塑性本构模型,并将模型计算结果与试验结果进行比较。结果表明,该模型能够较好地模拟非饱和黄土与固结应力有关的应变软化现象,计算的变形规律与试验结果基本吻合。     

土体三维卸荷弹塑性模型及其试验验证

天然土体经历开挖卸荷应力路径后,其应力变形特性与常规加载应力路径条件下规律存在较大差异。目前常用土体本构模型大多建立在等向固结单向加载三轴试验基础上,没有考虑初始K0固结和开挖卸荷应力路径的影响。以剑桥模型为基础,借鉴关口-太田模型的建模思想,通过引入新的应力比参数,对p-q平面上屈服轨迹硬化轴进行旋转,调整弹性区范围,以反映初始K0固结的影响;再运用变换应力法将模型三维化处理,从而使模型可以描述土体三向不等向应力状态,最终得到一个能综合反映土体K0固结开挖卸荷应力-应变特性的三维弹塑性本构模型。通过和典型室内应力路径试验结果进行对比,验证了模型的合理性。     

冻土弹塑性本构模型研究现状

土体的本构模型是分析计算土工结构变形规律的关键。自剑桥模型提出以来,对于土体本构模型的研究,各国学者在不同环境条件下发展研究了适用于相应试验条件下的各类模型。随着寒区经济的发展,关于冻土力学性质的研究日益增多,许多学者借鉴常规融土的研究方法建立了不同条件下的冻土弹塑性本构模型。为了进一步理清冻土变形行为的特征,完善适用于冻土弹塑性行为的本构模拟理论和方法,作者总结和分析了各类冻土弹塑性本构模型的理论基础、建模方法、参数确定方法等内容,对进一步发展可准确描述冻土复杂力学行为的本构模型具有指导意义。     

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。     

岩石统计渗流模型和统计损伤本构模型研究

采用Eshelby等效夹杂方法建立考虑渗流的岩石损伤本构模型是一种有效方法,但相关文献目前还极少。利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法, 探索了考虑渗流和损伤的Helmholtz自由比能函数的确定,用连续介质损伤力学方法建立了相应的考虑渗流的岩石损伤统计本构模型,提出了考虑渗流和损伤过程的岩石破坏准则,建议了考虑损伤和应变的岩石渗透系数演化方程。与试验结果比较表明,所建立模型是合理的。     

拉应力条件下岩石细观力学本构模型和渗透系数张量研究(I):各向异性损伤本构模型

在拉应力作用下的考虑渗流的岩石本构模型研究尚且很少。采用细观力学研究了岩石损伤变形过程,考虑了渗流过程。由于选用了新的微裂纹扩展准则,提高了解方程效率;采用细观力学成果建立了考虑渗流的微裂纹面不连续变形对岩石变形影响规律,并采用断裂力学成果建立了考虑渗流的微裂纹应力强度因子;建立了同时考虑微裂纹扩展过程和渗流过程的岩石各向异性损伤本构模型,该模型也适用于岩体。     

岩体结构面新型本构模型研究

对于涉及需要单独考虑岩体结构面的工程岩体结构分析,采用能反映岩体结构面主要力学特性的合理的本构模型是取得合理解答的关键问题之一。针对在经典连续介质力学理论框架内建立岩体结构面本构模型的缺点,基于岩体结构面的实际受力变形特性,采用直接法建立了一种新型岩体结构面本构模型。所建立的模型依据岩体结构面切向应力变形曲线及剪胀曲线的实际特征,将其分为峰前线性段、峰前非线性段以及峰后软化段,并分别给出了用于描述岩体结构面变形和强度等主要力学特性的数学模型,进而推导建立了结构面各变形阶段的增量型本构模型。最后,编写相关计算程序,采用所建立的新型本构模型以及被广泛采用的Plesha模型对经典的岩体结构面直剪试验成果进行拟合分析。结果表明,所建立的新型本构模型能更为合理的描述岩体结构面的主要力学特性,且模拟能力优于Plesha模型     

基于应变空间硅藻质软岩的软化本构模型

三轴试验结果表明,软岩具有显著的应变软化特征。正常固结软岩表现为峰值后较缓的软化特征,而超固结软岩峰值强度后的应力-应变曲线呈陡降软化特征。应变空间表述的弹塑性理论在解决大应变和软化问题时比应力空间表述的弹塑性理论更具有优越性。基于应变空间的基本的弹塑性本构方程式,采用Mises剪切屈服准则及相关联流动法则,导出固结不排水三轴条件下的应力-应变本构关系式,并采用不同的硬化函数表达式对软岩在不同围压下的应力-应变曲线进行数值模拟。结果表明,应变空间的弹塑性理论能较好地模拟软岩应变软化特征,其中硬化函数的确定是关键问题之一。通过研究,提出了用于固结不排水状态下正常固结软岩的硬化函数形式。     

基于新型损伤定义的岩石损伤统计本构模型探讨

针对几何损伤理论中损伤定义的局限性与不足,对岩石损伤定义进行了改进;在此基础上,将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,建立出新型损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立出岩石统计损伤演化方程,进而建立起基于特定围压下的岩石损伤统计本构模型;然后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立了反映不同围压条件下的岩石损伤统计本构模型,并通过探讨模型参数的物理意义,初步建立了反映岩石软化与硬化特性相互转化的临界物理力学参数的确定方法。该模型能够反映岩石软化与硬化特性相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。     

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。     

基于细观变形理论的盐岩塑性本构模型研究

唯象学本构模型不能很好解决诸如夹杂含量、温度、应变速率等对盐岩力学性质的影响,更难以解释盐岩变形机制。盐岩为石岩晶体组成,其变形机制主要由多晶结构所控制,故基于固体位错理论研究方法建立的盐岩塑性本构模型更能反映盐岩的变形机制。研究表明,盐岩的塑性-蠕变交互作用机制是（亚）晶粒内部位错的滑移与（亚）晶界及其干涉面内位错的攀移运动之间的耦合。基于此,可确定亚晶（或晶粒）平均尺寸与流动应力之间的关系、（亚）晶内的位错平均密度;建立微观参量（位错、亚晶直径、亚晶界宽度等）演化模式;根据Orowan定律建立盐岩微观-宏观变形联系,从而导出盐岩塑性本构方程。导出的本构方程体现了盐岩塑性-蠕变变形的物理机制,相对于传统的塑性本构方程具有更好的物理意义。     

岩土非线性流变本构模型的辨识算法研究

从岩土非线性流变本构模型通式——P.Perzyna方程出发,研制了岩土工程围岩流变本构模型辨识用有限元计算程序EVP2D,并将其和均匀设计(UD)法结合,获得了用于ANN辨识模型训练用的具有丰富本构信息的全局性输入输出有效数据。尔后,设计了基于实际监测位移数据辨识围岩流变本构模型参数的ANN模型,并在matlab软件平台中研制了辨识用相关程序CYJBS3.M。有关实例验证,从待辨识参数向量UD设计、训练数据的有限元计算获取、ANN模型的训练和辨识这一整体计算过程的实现,表明了UD-FEM-ANN本构模型辨识方法的可行性。     

考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

考虑峰值后区应力跌落速率的脆岩损伤本构模型研究

为了研究和分析脆岩峰值后区变形破坏力学性质,引入统计细观损伤理论,针对以破坏微元体数目与总数目之比定义的损伤变量存在的局限性与不足,在分析非均匀性岩石峰后变形破坏特征基础上探讨脆岩细观损伤演化机制,建立了考虑破坏微元体引起岩石材料非均匀性的修正损伤模型,并提出模型修正系数的函数假设;然后,在此基础上推导建立了岩石修正统计损伤本构模型,并给出了模型参数的确定方法;最后,将模型理论曲线与试验曲线进行了比较分析,并对模型参数的变化规律进行了讨论。研究表明:该模型能够反映脆岩峰值后区不同应力跌落速率的现象,模型理论曲线及模型参数的变化规律与试验结果较为吻合,表明提出的模型和方法具有一定的合理性与可行性。