岩体粘弹性、粘塑性本构模型辨识及工程应用

博士学位论文摘要借鉴系统辨识的理论和方法，基于实际施工中量测获得的岩体变形信息，对岩石力学中更深一层次的逆向题——岩体粘弹塑性本构模型的辨识问题进行了较深入的探讨。初步建立起基于一般辨识原理和优化技术的岩体粘弹性、粘塑性本构模型辨识的理论和方法，并用...     

锚固正交各向异性岩体的三维粘弹-粘塑性有限元分析

首先，从经过系统锚杆加固的正交各向异性岩体中取出的表征单元，然后，根据“等效材料”的概念，在一定的简化条件下，建立其本构方程，破坏准则及粘弹－粘塑性模型并将其引入三维有限元程序中，以地下洞室开挖为算例来考察锚固前后围岩的流变动态，从而得出有益的认识和结论。     

非线性弹粘塑本构模型开发及应用

讨论了岩体非线性流变的复杂力学行为,基于Peirc比例因子,提出一种非线性弹粘塑性本构模型,并推导了有限元应力返回算法及一致切线模量。根据ABAQUS的UMAT格式要求,编制了相应的接口程序,将该模型引入ABAQUS中。数值试验结果表明,所建立的非线性弹黏塑性流变模型可以统一描述不同应力状态下的蠕变过程,具有广泛的适用能力。采用该模型对岩石隧道进行弹粘塑蠕变数值计算,得到了隧道拱顶下沉及接触压力的随时间的变化规律。结果表明该模型是正确和可靠的,具有良好的应用前景。     

岩石弹粘塑性时效模型的遗传算法多参数辨识

应用遗传算法辨识岩石弹粘塑性时效模型的参数,实现了较好的多参数辨识效果.将研究成果应用到岩石工程,辨识反映工程岩体的弹粘塑性参数,也取得较好的辨识效果.     

岩体粘弹性本构模型辨识及其工程应用

探讨从各种粘弹性本构模型中如何确定最佳模型问题。将实际工程岩体视为一个复杂系统,施工中实测获得的岩体随时间的变形视为系统的输出响应。基于解决复杂系统等价数学模型的一般原理,运用最小二乘法、非线性最优化技术和拟合度检验法,提出从粘弹性本构模型的一般通式中来确定具体条件下最佳模型的方法;继而用辨识得到的本构模型对三峡工程高边坡稳定性进行预测预报分析,达到理论分析与指导实际工程紧密结合的目的,从而表明该研究方法的可行性和具有潜在的应用价值。     

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特性研究

 讨论高地应力条件下隧道软弱围岩发生挤压大变形的复杂力学行为,将挤压大变形归属为变形速率快而收敛速率慢的非线性流变变形范畴。在分析挤压大变形流变力学机制的基础上,分别提出非线性二维黏弹塑性本构模型和大(小)变形三维弹黏塑性本构模型,并进行相关专用程序的研发。运用所研发的材料子程序,对相关流变模型进行理论分析,就乌鞘岭铁路隧道软弱围岩施工开挖大变形问题进行工程应用研究。     

桩基沉降的时效分析

本文对桩采用弹性本构模型 ,而对桩土接触面及土采用弹粘塑性本构关系 ,研制了三维弹粘塑性有限元程序。利用该程序对受荷单桩基础进行计算 ,分析总结了桩基沉降、应力随时间变化的规律     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

桩基沉降的时效分析

本文对桩采用弹性本构模型,而对桩土接触面及土采用弹粘塑性本构关系,研制了三维弹粘塑性有限元程序。利用该程序对受荷单桩基础进行计算,分析总结了桩基沉降、应力随时间变化的规律。     

岩体工程开挖及蠕变的三维有限元解法

本文建议采用HK模型作为岩体工程中开挖及蠕变的弹-粘弹性统一计算模型。描述并展示了基于该模型的三维非线性计算程序CRR4,系统地实现了对原始地应力场的空间模拟、分期开挖连同围岩蠕变的计算和分析,并通过三维等参单元的应力光滑化改进了岩体工程有限元应力计算方法,此外还可由计算机自动描绘围岩三向位移过程线。     

某厂房边坡施工过程仿真及稳定分析

针对某厂房后边坡问题,采用非线性有限元分析方法,给出初始应力场、开挖、加固施工过程的数值仿真,岩体本构关系用弹粘塑性模型及新流变模型,按预应力锚索工作原理建立锚索模型,研究边坡塑性应变形成过程,以此过程分析提出边坡加固方案,并采用强度储备方法评价边坡稳定.     

含水裂隙岩体本构模型及数值模型理论研究

基于莫尔-库仑模型,结合含水裂隙岩体的本构关系及演化方程,在FLAC3D提供的二次开发程序接口基础上,利用VC++程序语言实现了计算过程,并编译成动态链接库文件进行加载和调用,得到了含水裂隙岩体的数值模型。通过一个简单数值模拟实验,验证程序的适用性和有效性,并得出采用莫尔-库仑模型模拟出的结果比含水裂隙岩体本构模型的结果要偏于保守。将含水裂隙岩体的本构模型应用于一实际巷道的开挖围岩稳定分析中,其计算结果与现场监测的数据较吻合,再次验证了该含水裂隙岩体数值本构模型的正确性,可用于含水裂隙岩体巷道的稳定性分析。     

岩体弹塑粘损伤力学模型及其工程应用

由于岩体受开挖卸荷作用，导致岩体损伤以及质量的进一步裂化，因此，有必要考虑岩体的损伤蠕变。将岩体损伤作为一种元件来考虑，将其和弹性元件、塑性元件和粘性元件串并联建立一种岩体弹塑粘性损伤力学模型。根据建立的力学模型，推导模型的本构方程，分析其蠕变特性，并得到该模型的等效蠕变模量的计算式。将其应用于工程实际中；并将所得结果与实测数据进行比较，其变形趋势相近。     

隧道开挖引起的围岩变形过程及岩体变形模量的反分析

本文运用“等效初应力”的概念和三单元粘弹模型,讨论了隧道开挖引起的围岩变形过程,并根据隧道开挖过程中所测得的隧道净空变化数据,提出估算围岩变形参数和采用“新奥法”时引起二次支护形变压力的“残余变形”值的“反分析”方法,并给出相应的电算程序。     

剪胀围岩隧道开挖响应曲线的等价圆近似法

针对岩体受开挖影响进入塑性状态后存在剪胀及非圆形隧道围岩响应状态无法解析求解的现状,选用反映围岩剪胀的本构关系,围绕建立各种断面形状隧道围岩开挖后的响应特征描述函数展开研究。首先,建立各种断面形状隧道开挖数值模型并进行模拟分析,利用其结果绘制矩形、直墙拱形和曲墙拱形等常见断面隧道围岩对开挖的响应曲线。然后在同样条件下绘制矩形、直墙拱形及曲墙拱形断面在5种等价圆形断面方法下,基于Duncan-Fama提出的考虑剪胀的圆形断面隧道开挖围岩响应弹塑性特征曲线。最后,比较它们与数值模拟结果绘制曲线的接近程度,获得与数值模拟结果曲线最接近的等代圆方法,为任意断面形状剪胀围岩隧道开挖响应特征解析函数的建立提供了便利。     

均匀地应力场下圆形隧道静态弹塑性解析方法

针对圆形隧道的弹塑性解析中许多能更好地反映岩石特性的本构模型由于数学求解的困难而得不到广泛应用的问题,进行新的尝试。首先,基于单一曲线和体积不可压缩假设,总结完善一种更为简便的解析方法。其次,运用该解析方法,针对6种不同的本构模型,计算围岩的弹性区和塑性区应力、塑性区半径、围岩平衡方程、围岩自承地应力上下限等,得到精确或近似的解析表达式。针对线性软化本构模型,引入Lambert函数给出塑性区半径R的解析表达式,论证围岩平衡曲线中R的取值范围。针对Nelder非线性软化本构模型,引入幂函数给出拐点横坐标以及拐点处降模量的近似计算式。当峰后为Weibull非线性软化本构模型时,由于whittaker函数无法求反函数和极限,故而提出以Gauss公式拟合整条围岩平衡曲线,再以Gauss反函数的求解得到塑性区半径的新思路。最后,对比分析6种本构模型的解析结果之间的差异后得出,非线弹性情况下得到的围岩自承地应力上限比线弹性情况下高,而应力集中系数低,应力集中位置偏离弹塑区边界位于弹性区内,切向应力再分布曲线上不会出现尖角,这些都与实际更为相符。因此,不论是软岩或是硬岩,使用连续而光滑的本构模型进行弹塑性分析可以得到更为符合实际的结果。     

岩体的三维弹粘塑性阶谱块体单元法

提出了岩体的三维弹粘塑性阶谱块体单元法。首先，定义各块体单元的最小包围盒为其覆盖单元，在覆盖单元上采用阶谱形函数和弹粘塑性本构模型；然后，根据虚功原理，推导了块体系统的整体平衡方程；最后，就其中的数值积分和边界条件处理等问题进行了探讨。运用所提方法分析了两个简单算例，结果与解析解和有限单元法数值解很吻合，从而验证了其正确性和有效性。所提方法具有前处理简单、计算精度高等特点，适合于岩体变形与稳定分析。     

损伤流变模型在三峡船闸高边坡稳定分析的初步应用

将损伤力学理论应用于岩石力学，建立节理岩体的损伤力学模型，并采用粘弹－粘塑性理论和有限元法，编制了平面有限元计算通用程序对三峡船闸高边坡稳定性进行了模拟边坡开挖过程的损伤流变分析。     

加锚断续节理岩体断裂损伤模型在硐室开挖与支护中的应用

应用断裂力学与损伤力学理论，对复杂应力状态下脆性断续节理岩体的本构模型及其断裂损伤机制进行研究。根据应变能等效的方法和自洽理论，建立加锚断续节理岩体在压剪、拉剪应力状态下的断裂损伤本构模型；且建立裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演化方程。基于以上的本构模型和损伤演化方程，编制三维有限元程序，并将其应用于琅琊山抽水蓄能电站地下厂房硐室开挖与支护工程的稳定性分析中，研究地下厂房硐室在开挖支护过程中的稳定性。重点分析硐室围岩在开挖过程中的应力状态、变形特性及损伤演化过程。将计算所得出的硐室开挖边界附近的位移值与原型观测值进行比较，得出一些对工程有指导意义的结论。     

混凝土材料的弹粘塑性损伤本构模型研究

从Perzyna弹粘塑性本构模型出发,考虑混凝土材料的损伤,推导提出了混凝土弹粘塑性损伤本构模型,通过与相关文献所列实验数据比较,验证推求了所得模型的适用性,指出该模型能够反映出混凝土材料不同的拉压性能、混凝土材料的应变率敏感性、静水压力及中间主应力的影响,具有一定的实用价值。