含瓦斯煤岩耦合弹塑性损伤本构模型研究

 三维压缩条件下,随着载荷的逐渐增加,岩石类材料内部微裂纹的传播与错动不断加剧,最终导致非线性应力–应变关系、弹性模量的减小、变形的各向异性、体积膨胀以及不可逆塑性变形等结果。这些现象可以利用连续损伤力学及塑性理论来描述。首先为考虑瓦斯吸附对煤岩的影响,在多孔介质有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过引入与塑性屈服准则相关联的各向异性损伤因子和损伤准则来描述含瓦斯煤岩的塑性变形及损伤演化过程。利用不可逆热力学原理,对含瓦斯煤岩的损伤演化规律及塑性变形与损伤之间的耦合效应进行有效描述。根据实验结果,采用非关联塑性流动法则,建立能反映各种应力条件下力学行为的含瓦斯煤岩耦合弹塑性损伤本构模型。通过理论与实验结果的比较发现,所提出的耦合弹塑性损伤本构模型能真实有效地描述含瓦斯煤岩在不同应力条件下的力学特性;同时,该模型还适用于其他岩石类材料的本构描述。     

横观各向同性岩石弹塑性本构模型与参数求解方法研究

地层中普遍存在层理状岩石,这些岩石细观结构具有显著的方向性,从而引起了其变形与强度具有横观各向同性。采用弹性力学与广义塑性力学基本理论,建立了岩石横观各向同性弹塑性本构模型:弹性部分采用广义胡克定律描述,塑性部分采用基于广义八面体剪应力的屈服准则和势函数、非关联流动法则和应变硬化准则描述。该模型屈服面为外凸的非等截距椭圆截面角锥体,在各向同性条件下可退化为米塞斯屈服准则。提出了模型参数求解方法:弹性参数采用三轴压缩和扭转试验联合求解;塑性参数采用不同层理方向试样的三轴压缩试验求解。以炭质板岩为例,验证了所提出的横观各向同性弹塑性模型和参数求解方法,验证结果表明所提模型较好地反映了岩石的横观各向同性,参数求解方法简单有效。此外,还根据试验数据分析了炭质板岩塑性势方向性和弹塑性参数耦合特征。研究成果将为丰富岩石力学基本理论和解决相关工程问题提供理论基础。     

辽西冻风积土动力测试与动损伤机理研究

风积土颗粒间包含的孔隙自由水在冬季负温作用下会发生冻结现象。为研究冻风积土在行车等动荷载作用下产生的动力损伤机理及其特征,利用GDS冻土三轴测试系统对不同条件下的冻风积土试样进行三轴加载,获得了不同条件下的动应力–应变曲线,并利用有效应力分析法对损伤有效应力及累积塑性变形进行确定。将Helmholtz自由能作为塑性势函数建立了损伤演变率与损伤释放率之间的数学关系,并依照塑性势函数和累积塑性变形率间的线性假设建立损伤演化模型。利用本文所提出的有效应力分析法对建立的P模型参数进行拟合,结果表明P模型计算结果与相关文献动损伤模型计算结果比较吻合。对比由循环加载造成的疲劳损伤与塑性区发展造成的塑性损伤发展过程,得到了冻风积土初期动损伤以塑性损伤为主,后期以疲劳损伤为主的结论,并且确定各条件下塑性损伤的阈值,为冻风积土路基的动力灾害防治提供理论依据。     

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。     

孔隙率对岩体中THM耦合作用的弹塑性有限元分析

笔者使用Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型和摩尔-库伦准则,假设在饱和的石英颗粒聚集岩体中有一实验室尺度的高放废物地质处置库模型,针对其拟定两种计算工况:(1)内摩擦角和黏聚力均为常数;(2)内摩擦角为常数,黏聚力是孔隙率的负指数函数,进行4a处置时段的热-水-应力(THM)耦合有限元数值模拟,就岩体中的温度场、渗流场、应力场和浓度场的变化及分布情况进行了考察。结果显示:与黏聚力是常数的情况相比,黏聚力随孔隙率而变化时,岩体相同部位进入屈服阶段的时机滞后,塑性区减小,并推迟了塑性部位的溶质浓度、迁移/沉淀质量、反应体积和颗粒贯穿深度的突变时间;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、迁移和沉淀相比于弹性区有明显的变化,并对渗流场(孔隙水的压力及流速)和应力场产生显著的影响。     

地下盐岩储库群临界间距与破损分析

 为研究地下储库整体稳定性和损伤破坏规律,提出基于变形稳定理论的地下储库群稳定性判别方法。将强度折减系数K和塑性余能范数ΔE的关系曲线作为储库整体稳定性和破坏的关键判据,用不平衡力展示失稳破坏的部位和模式。建立以屈服函数作为损伤控制变量的分析方法,并用于研究储库不平衡力与位移的关系。研究双储库的临界间距、破坏模式和埋深对储库稳定性的影响,分析单储库洞周围岩损伤对不平衡力的作用。研究结果表明,用不平衡力和塑性余能范数来定量评价地下储库群的稳定性是合适的,基于屈服函数的破损分析可为岩石进入塑性阶段后的力学行为研究提供新的思路。     

多孔岩石塑性压缩本构模型研究

白垩是一种典型的多孔岩石,三轴试验研究成果表明白垩具有2种塑性力学机理:塑性压缩(孔隙坍塌)和剪切破坏。孔隙度对白垩的塑性力学特征有重要影响,在描述白垩塑性行为的本构方程中,特别是描述塑性压缩(孔隙坍塌)的塑性力学机理,需要考虑孔隙的影响。基于对白垩力学机理的认识,建立了基于Gurson屈服准则的本构关系用来描述白垩的塑性压缩(孔隙坍塌)机理的本构模型,模拟结果与试验成果相一致。     

考虑软黏土结构性损伤的圆柱孔扩张弹塑性分析

针对天然沉积软黏土中施工扰动导致原位土结构性损伤和强度降低的特征,根据圆孔扩张过程中产生的塑性剪切应变以及实测的渗透系数与不排水强度随径向距离的变化规律,提出对数式的原位扰动度函数以描述塑性损伤区的屈服强度变化;基于结构性剑桥模型屈服准则,采用屈服应力比和灵敏度分别表征初始结构稳定性和结构强度可变性大小,并与扰动函数相结合,推导了考虑土结构性损伤的软黏土柱孔扩张弹塑性解,表达式中灵敏度值为1时退化为不考虑结构损伤的传统解。进而通过竖井和沉桩施工引起的超静孔隙水实测结果与理论计算值的对比,验证了本文理论解的有效性;并分析了土结构及其损伤对柱孔扩张效应的影响,结果表明：屈服应力比越大,塑性区半径越小,径向应力越大,超静孔压随径向距离先增大后减小;灵敏度越大,径向应力越小,超静孔压越大。分析推导结果对准确预测挤土效应与合理揭示孔压静力触探等原位试验测试机理具有实用价值。     

基于能量耗散理论冻土本构模型的研究

通过损伤理论中的有效应力与损伤影响张量来表现冻土的损伤。冻土耗散函数表示成塑性耗散（DP屈服准则）和损伤耗散之和的形式,其中塑性耗散函数中耦合了损伤变量。通过弹塑性及损伤的演化过程,建立了冻土弹塑性损伤增量本构模型,并给出了其有限元格式。     

土体弹塑性理论加载准则和计算模型探讨

本文采用塑性应变分量的分部屈服概念,提出了适用于增量法计算的分部屈服加载准则;并且参照非线性变形理论,提出了新的土体弹塑性模型。本文属于理论探讨,有关计算成果及其分析将在另文发表。     

正常固结黏土的三维弹塑性本构模型

?应力空间内的非线性统一强度理论,与普通应力空间内的Drucker-Prager强度理论的形式相同。类比剑桥模型采用应力参量p和q的建模方法,在?应力空间内建立了土的三维弹塑性本构模型。首先提出了新的剪胀方程,结合正交条件,以p?,q?作为应力参量得到塑性势函数;其次模型建立过程中采用了修正剑桥模型的屈服面及非相关联流动法则;这种建模思路是一种新的直接建立三维弹塑性模型的方法。模型以岩土类材料的非线性统一强度理论为破坏条件,能够合理地反映岩土类材料的三维强度特性,较好地描述土体的变形特性,且能够退化为修正剑桥模型。     

隧道下穿时地表房屋变形开裂的定量评估

 城市隧道下穿时,普遍存在着地表房屋变形超限、倾斜开裂等风险控制难题,结合厦门机场路隧道下穿建筑群的工程实践,分别采用W-W破坏准则、屈服接近度模型和Mazars损伤模型,对地表房屋变形开裂进行定量的计算与评估。计算结果表明：屈服接近度模型实质为广义的塑性区,其结果为定量的房屋开裂安全度分布;Mazars损伤模型为典型的拉损伤模型,根据其损伤变量的大小,可以对应地评估房屋开裂程度。同时,分别基于屈服接近度模型和Mazars损伤模型,对隧道下穿过程进行数值模拟,二者结果均较好地反映了房屋变形开裂过程与施工过程的非线性相关性,由此实现了对房屋变形开裂全过程的量化评估与控制。研究结果显示,开裂过程的计算评估结果与现场房屋裂缝、变形实测结果一致性良好。     

基于特征应力的正常固结土三维弹塑性本构模型

在特征应力空间中,Drucker-Prager形式的强度准则可以合理描述岩土类材料的真三维强度特性,即特征应力具有以各向同性形式的表达式描述岩土类材料各向异性力学特性的功能。在特征应力空间中,利用插值函数法直接提出了正常固结土的新的屈服函数,结合笔者已在特征应力空间中提出的塑性势函数,直接建立了正常固结土的真三维弹塑性本构模型。模型只有7个材料参数,每个参数均具有明确的物理意义,可利用室内试验简单确定。通过模型功能分析以及与文献中试验结果的对比验证表明,本文模型可简单合理地描述正常固结土的真三维变形与强度特性,并且可简化为修正剑桥模型。     

北山深部花岗岩弹塑性损伤模型研究

 基于力学特性试验和三维声发射监测技术,研究北山花岗岩在压应力条件下的力学行为特征和损伤演化机制,并构建岩石的力学损伤模型。试验结果表明,在低围压条件下岩石主要发生的是脆性破坏;随围压增大,岩石力学行为逐渐向延性转化,表现出剪胀、塑性变形等非线性行为。结合微裂隙产生和扩展规律,对岩石在外力作用下的损伤演化过程和破坏机制进行分析,认为北山花岗岩的破坏及非线性行为是损伤和塑性变形共同作用的结果。基于这一认识,在热动力学框架下提出北山花岗岩准唯象弹塑性损伤模型。模型引入非关联的塑性流动方程,以反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程。基于已有的损伤理论建立损伤演化方程,并通过在塑性屈服面中引入独立损伤变量,建立塑性和损伤发展的耦合关系。数值模拟和试验数据的对比表明,模型可以很好地描述北山花岗岩在不同应力水平下的损伤演化规律和力学行为,特别是随围压增大岩石力学行为从脆性到延性的转化过程以及岩石峰前塑性硬化和峰后应力软化等行为特征。     

考虑温度和体积应力的分数阶蠕变损伤Burgers模型

盐腔是石油、天然气和高放射性核废料深地储存的理想屏蔽围岩,考虑到深地盐岩地层中温度和体积应力联合影响,基于细观概率体元强度的威布尔(Weibull)分布构建损伤变量,利用Drucker-Prager强度准则描述微观线弹性脆性破坏,引入考虑塑性损伤的广义胡克定量描述样品尺度损伤,从而建立三轴压缩条件下静态本构模型.进一步...     

动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析

阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。分析认为，岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关，而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的，且反映静水胜力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响，并以机械模型为基础，求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。同时，根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型，建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型，进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。最后，采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服摔制材料试验机卜进行了红砂岩中心变率下的动静组合加载破坏试验，对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。结果表明，理论模型与试验结果有较好的一致性。     

不同初始卸荷水平和水压下砂岩卸荷力学特性试验研究

深部岩石所处的不同初始卸荷水平状态及水压环境对其力学特性影响明显,基于对砂岩进行常规三轴加载试验、不同初始卸荷水平及水压条件的卸荷试验,研究了卸荷条件下砂岩的极限强度、变形特征、变形损伤以及卸荷抗剪强度。研究结果表明:初始卸荷水平n一定时,随着水压p的增加,卸荷极限强度的降低呈现先快后慢的规律,岩样更容易发生破坏,脆性特征更明显,损伤变量ω也呈增加趋势;当水压p一定时,随着n的增大,卸荷极限强度线性增大,统一围压降参数η线性降低,损伤变量ω也减少,且n从0.9到1.0的过程中,ω降低更明显。综合初始卸荷水平n和水压p的影响,对摩擦角和黏聚力进行了二元函数拟合,利用该拟合公式可以预测不同n,p条件下的黏聚力和摩擦角,具有一定工程意义。并基于对试验数据的拟合,对不同n,p作用下的砂岩Mohr–Coulomb准则表达式进行了修正。     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

有空洞地基破坏过程的试验和数值模拟

首先对该地基的破坏过程进行了室内模型试验,用数码照相记录下了地基的渐进破坏,然后运用所建立的各向异性损伤数值模型,对位移和载荷控制条件下该地基的渐进破坏过程进行了数值模拟试验,重点分析了地基的破坏模式和应力应变关系,并与不考虑拉伸损伤的理想弹塑性模型的计算结果进行了对比。研究发现：有空洞粘土地基首先发生竖向拉伸破坏,然后沿对角连线发生剪切塑性屈服并不断向连线中间扩展,最后在对角连线中间发生拉伸破坏,导致地基发生失稳。数值结果与模型试验结果基本一致,从而为进一步揭示复杂条件下有空洞粘土地基的渐进破坏全过程提供了一种新的数值模拟研究手段。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。