大断面小净距隧道水力耦合围岩稳定性数值模拟

以在建富水区大断面小净距公路隧道为工程依托,通过自主开发的弹塑性应力-渗流-损伤耦合有限元计算模型对水力耦合作用下大断面小净距隧道围岩稳定性进行计算。采用差异进化算法进行损伤参数反演,在所得反演参数的基础上,对不同净距下,所选开挖断面处围岩的塑性区分布、损伤场演化规律和不同注浆圈参数对隧道周边损伤值及洞内涌水量的影响规律进行计算结果分析。     

Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究.结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:博士学位论文(1) 建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序.(2) 基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序.(3) 针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,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.(4) 在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数.(5) 根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20 a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数.(6) 在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性.     

地下空间施工时内部损伤监测的计算机方法

地下洞室施工时围岩损伤场的动态监测对裂隙岩体的安全施工相当重要。利用多元分布参数拟合逼近理论建立损伤场的映射拟合函数反演法 ,以识别与监测围岩损伤的演化。将分布参数系统用若干正交函数族的乘积描述 ,通过量测的位移值反演分配系数以确定损伤的函数分布形式 ,还探讨了拟合项数对反演精度的影响问题以及时变反演与工况、竣工模型反演的比较分析     

地下空间施工时内部损伤监测的计算机方法

地下洞室施工时围岩损伤场的动态监测对裂隙岩体的安全施工相当重要。利用多元分布参数拟合逼近理论建立损伤场的映射拟合函数反演法，以识别与监测围岩损伤的演化。将分布参数系统用若干正交函数族的乘积描述，通过量测的位移值反演分配系数以确定损伤的函数分布形式，还探讨了拟合项数对反演精度的影响问题以及时变反演与工况、竣工模型反演的比较分析。     

渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究

基于连续介质大变形理论和损伤力学理论,将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到Mohr-Coulomb准则,建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏土岩核废料库工程为背景,在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上,建立反映施工质量的等代层模型,对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算结果表明,围岩变形在开挖面附近达到最大值,施工质量对围岩稳定性有明显的影响,施工质量越差,开挖扰动区的范围就越大,并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

考虑循环爆破效应的Hoek-Brown弹塑性损伤模型及其工程应用

针对钻爆法开挖隧道围岩损伤区数值计算方法的不足,建立考虑循环爆破效应的Hoek-Brown(以下称H-B)弹塑性损伤模型并给出数值解法。首先,根据疲劳损伤理论推导了中远场循环爆破累积损伤演化公式,将爆破损伤与应力重分布造成的塑性损伤进行耦合,建立基于广义H-B准则的岩石弹塑性损伤模型;其次,利用完全隐式的应力回映算法和算子分离法给出上述损伤模型的数值解法;最后,将该模型应用于大连地铁工程的围岩稳定性分析当中,通过现场声波测试验证了循环爆破累积损伤演化公式,并对研究断面的位移值和损伤区分布特性进行计算。结果表明:循环爆破累积损伤演化公式能够较好的表达循环爆破作用下岩体损伤的演化规律,同时所建弹塑性损伤模型可以反映不同爆破次数下围岩损伤区的分布特性,比传统方法更具有优势,对工程安全设计具有较好的指导作用。     

基于渗流-应力-损伤耦合模型的泥页岩井壁稳定性研究

石油钻井过程中,泥页岩地层井壁稳定性研究十分复杂。本文在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb破坏准则,建立了基于等效塑性应变的损伤演化模型,给出了泥岩的渗透性的演化方程。以中国西部某油田实际钻井过程为例,建立了井壁稳定分析模型。计算过程中考虑了围岩损伤引起的弹性模量、黏聚力和渗透系数的变化,得到了井壁围岩损伤、渗透系数、应力、塑性应变、孔隙压力和位移的分布规律。结果表明,井壁附近岩石的损伤演化对围岩塑性区的塑性应变和应力分布有明显影响。钻井液密度的高低,会造成井壁在水平最小主应力方向上的剪切损伤或在水平最大主应力方向上的拉伸损伤。当损伤达到极限时,会造成井壁围岩的破坏。     

GSI围岩评级系统下围岩新型统计损伤模型

为了得到受采动干扰、具有一定结构面的巷道围岩的变形破坏机理,采用GSI围岩评级系统对Hoek-Brown准则进行修正来描述岩石微元的强度,通过组成岩石力学性能参数变量的随机性与复杂性,假设岩石材料的力学性能满足对数分布,结合统计损伤力学理论和有效应力原理,建立不同围压作用下的岩石新型统计损伤模型,对岩石的损伤演化规律和应力-应变关系进行研究。结果表明:通过GSI围岩评级系统改进后的破坏准则与试验数据有更好的一致性、更加符合实际;不同种类岩石在不同围压作用下的模型曲线与试验数据拟合程度较高,也说明该本构模型的合理性与正确性;不同围压作用下岩石的损伤演化规律基本呈现S形变化,可以与围岩应力-应变曲线各阶段的破坏变形进行较好地对应与划分,且描述岩石的损伤演化规律与实际围岩的破坏过程基本一致,对实际工程具有指导意义。     

砂岩流变损伤模型研究及其工程应用

描述岩石流变损伤常用的方法一般局限于加速流变阶段,并未考虑初始流变和稳态流变阶段的损伤,这与大量的试验研究结果相悖。为更好地描述岩石流变三阶段的损伤流变,基于室内试验结果与损伤理论,以Burgers模型、Mazars的损伤演化方程为基础,提出考虑流变全过程损伤的流变损伤本构模型,进行参数辨识,并验证所提出模型的合理性。在此基础上,采用FLAC3D软件,对苏州凤凰山隧道的围岩变形进行计算,对比分析现场监测数据和考虑损伤的流变模型及不考虑损伤的流变模型围岩的变形情况。结果表明,采用的流变损伤本构模型数值计算结果更加接近现场监测值,能够更好地反映洞室围岩的流变变形及损伤特性,因此考虑全过程损伤的流变模型是合理的。     

考虑扩容碎胀特性的岩石本构模型研究与验证

 高应力卸荷条件下岩石扩容碎胀非连续变形行为研究对揭示深部巷道围岩稳定性演化及控制机制,分析预测围岩稳定性具有至关重要的意义。为此,依托室内岩石三轴卸荷试验,首先研究全应力–应变曲线各特征应力值随围压变化的演化特征,提出岩石进入峰前损伤扩容与峰后破裂碎胀阶段的临界条件准则,并考虑扩容碎胀破裂演化过程中岩样力学性质劣化规律,建立描述卸荷条件下岩石损伤扩容和破裂碎胀演化机制的本构模型,采用VC++编程语言将该模型嵌入到UDEC软件中,实现其非线性数值计算功能。同时,通过室内岩石试验曲线的模拟拟合,表明该模型在描述岩石扩容碎胀特性方面的合理性。最后,将该模型应用于一典型深部巷道围岩破损区分布的模拟研究中,通过与经典模型的对比分析,验证该模型在工程应用方面的可行性,并有针对性地提出深部巷道稳定性分析与维护的合理化建议。     

岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

基于爆破振速的隧道围岩力学参数反演

采用FIAC3D为正演工具对山岭隧道爆破开挖产生的边墙振速进行数值模拟,结合正交设计和均匀设计试验得到训练样本和测试样本,建立反映围岩参数与振速非线性关系的BP神经网络模型,并基于隧道现场实测爆破振速反演得到围岩的弹性模量和泊松比等参数。结合反演得到的围岩力学参数,建立隧道地质计算模型,对爆破振动条件下围岩的稳定性分析进行数值计算,结果表明,采用数值方法计算得到的爆破振速理论值与现场实测结果吻合较好,说明基于爆破振速的围岩参数反演方法是合理可行的。     

层状岩体损伤演化与应变关系的研究

运用电子显微镜研究了岩石的微观结构，提出岩石微结构损伤模型：对层状岩体进行损伤演化与破坏过程的研究，建立本构方程与损伤演化方程；引入损伤变量及损伤扩展系数，建立符合岩体整个损伤演化过程的方程，描述岩石受载过程中初期近似呈线性，随后加速的过程。将岩体损伤与破坏过程分为3个阶段，分析层状岩体的损伤演化与破坏特征及其稳定性，解释岩石损伤演化的规律。研究结果表明：层状岩体的损伤萌生与扩展直到破坏，除与加载大小、速率等有关外，还与各亚层损伤演化规律、载荷与层面夹角、各亚层的内部微结构特性等有关。因此，现场整体岩层受其影响是显著的。     

非饱和岩体弹塑性损伤模型研究与应用

从多孔介质的角度,首先建立岩石孔隙度与体积应变之间的关系,在此基础上定义材料的渗透系数、孔隙度、损伤变量和饱和度的基于孔隙度变化的动态演化关系式;然后基于多孔介质有效应力原理,提出非饱和渗流应力耦合的弹塑性损伤本构模型;最后将所建模型通过子程序导入大型非线性有限元分析软件ABAQUS,对锦屏水电站引水隧洞开挖过程中的围岩变形、应力、塑性区、孔隙水压力、损伤及孔隙度演化进行计算与分析,研究结果对引水隧洞的开挖与支护设计具有一定的参考价值和借鉴意义.数值计算结果表明,所建模型合理,可反映围岩饱和-非饱和-再饱和过程中变形、损伤演化的机制.     

考虑损伤渗流边坡稳定性数值离心加载法分析

为分析损伤–渗流耦合作用下边坡工程的稳定性,建立了基于Mohr-Coulomb准则的岩石弹塑性损伤–渗流耦合模型。从主应力空间的角度出发推导了损伤作用下Mohr-Coulomb准则的应力回映算法,解决了数值实施过程中应力更新的"奇异点问题";基于分布迭代法编制了岩石弹塑性损伤–渗流耦合有限元计算程序。将离心加载法与所编程序结合,求解了多场耦合作用下的边坡安全系数,再现了边坡渐进破坏过程中损伤场演化规律,证明了所建数值模型能够较好的描述应力、渗流和损伤作用下,岩石材料的宏观破坏现象。最后对实际边坡工程进行了数值模拟,计算结果为工程安全性评价提供了参考。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

博士学位论文摘要：我国是寒区面积分布最多的国家之一，随着寒区建设工程的日益增多，出现了大量的冻岩问题，而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题，本文以实验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的方法，系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性，并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系， 最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景，建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型，采用有限元方法，进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下： （1）首先，从工程现场取2种典型岩石，进行不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和与干燥）下的单轴压缩和三轴压缩实验；然后，分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律，应力-应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度随温度的变化关系，并给出了相应的拟合关系表达式；最后，进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试，并给出了波速、导热系数与温度的关系。 （2）对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验，分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式；并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验，记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律，分析这2种岩石的冻融耐久性，并对实验结果进行数据拟合，得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 （3）以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据，从宏观损伤力学理论出发，将岩石的损伤分为2个阶段：第1阶段为冻融引起的损伤，第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤，从而建立2个阶段的损伤演化方程，推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系，根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线，并与实验曲线进行对比。计算结果表明，所建立的模型可靠，为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。 （4）根据孔隙介质的对流换热理论，建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型，并运用多场耦合有限元计算程序，计算2个工程实例：其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题，验证所建立的数学模型的可靠性；其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际，考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下，计算30a围岩温度场与渗流场的分布变化规律，指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。 （5）针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况，引入所建立的岩石冻融损伤力学模型，将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数，以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础，建立冻融裂隙岩体温度-渗流-应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法，以昆仑山隧道进口160m的DK976＋410断面围岩-衬砌系统为对象，进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算，分析围岩-衬砌系统在施工完毕及运行30a后的温度、应力及位移的变化规律，并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。     

考虑损伤渗流边坡稳定性数值离心加载法分析

为分析损伤-渗流耦合作用下边坡工程的稳定性,建立了基于Mohr-Coulomb准则的岩石弹塑性损伤-渗流耦合模型。从主应力空间的角度出发推导了损伤作用下Mohr-Coulomb准则的应力回映算法,解决了数值实施过程中应力更新的“奇异点问题”;基于分布迭代法编制了岩石弹塑性损伤-渗流耦合有限元计算程序。将离心加载法与所编程序结合,求解了多场耦合作用下的边坡安全系数,再现了边坡渐进破坏过程中损伤场演化规律,证明了所建数值模型能够较好的描述应力、渗流和损伤作用下,岩石材料的宏观破坏现象。最后对实际边坡工程进行了数值模拟,计算结果为工程安全性评价提供了参考。     

基于神经网络的隧道围岩位移反分析研究

根据重庆鹰嘴岩隧道现场监控量测资料,基于BP神经网络理论,进行了公路隧道围岩位移反分析研究。首先利用FLAC3D对隧道开挖衬砌过程进行模拟分析,建立各围岩参数组合与位移计算值的对应关系,形成用于神经网络训练和检验的样本,通过训练样本和检验样本分别对网络进行训练和检验,得出较为理想的位移反分析模型;然后通过此模型根据重庆鹰嘴岩隧道现场监控量测的围岩位移资料对有关围岩稳定性的力学参数进行了反演,为隧道围岩稳定性评价分析提供了重要的力学参数。