脆塑性迭代逼近算法的改进

针对应力跌落计算中脆塑性迭代逼近算法存在的问题,在主应力空间,结合特征点变形和破坏特征,通过理论推导,系统分析偏应力等比例跌落方法、最小主应力不变跌落方法、塑性位势跌落方法及应力球量不变跌落方法的缺陷.考虑脆塑性变形和破坏过程中的泊松效应,提出改进的塑性位势跌落方法;推导应力跌落计算更新过程,编写UMAT子程序将该更新过程嵌入软件Abaqus,实现岩石弹塑性应变软化过程数值求解.采用所提改进方法替换原有的应力跌落计算方法,实现弹塑性应变软化过程的数值模拟.引入塑性强化算法,实现岩石弹塑性变形破坏全过程的数值计算,并进行多算例验证.对不同地质条件的Mine-by试验洞及某水电站引水隧洞辅助洞进行开挖模拟,结果表明所提改进方法能够合理模拟工程中围岩弹塑性变形破坏现象.

基于Hoek-Brown准则的岩石拉-拉剪破坏有限元模拟方法研究

岩石的拉伸、拉伸剪切破坏是工程中常见的破坏类型,基于Hoek-Brown准则研究提出一种模拟岩石拉伸、拉剪破坏的有限元计算方法。首先,结合岩石室内试验数据分析,Hoek-Brown准则可以很好地描述岩石拉伸、拉剪的力学性质。同时,鉴于岩石拉伸、拉剪破坏大都表现出脆性破坏的特征,可采用脆塑性本构模型近似模拟这种变形破坏。接着,推导给出Hoek-Brown准则的脆塑性本构模型有限元实现过程,将其嵌入有限元计算软件ABAQUS中。然后,对室内试验进行有限元模拟,模拟曲线与试验数据拟合良好,证明Hoek-Brown准则的脆塑性本构模型可以正确反映岩石拉伸、拉剪等破坏特征。最后,将所建模型应用于某输水隧洞工程,针对特征断面分析仅采用管片衬砌的可行性,为工程的衬砌设计提供指导。

基于Hoek-Brown准则的岩石应变软化模型研究

基于Hoek-Brown(H-B)准则,根据大量试验数据,研究提出一种具有广泛适用性的岩石应变软化模型。利用40种硬岩和软岩三轴试验数据,验证了3参数幂函数型围压函数广泛适用于硬岩和软岩峰后临界塑性应变与围压的关系描述,并将其引入塑性内变量中;其次,比较分析当前基于H-B准则的岩石应变软化模型中软化参数的合理性,明确以GSI作为软化参数的方法最优,拟合结果正确且参数最少。然后,分析岩石峰后GSI随塑性内变量的演化规律,并建立一种普适的非线性演化模型。与其他演化模型相比,所建模型可更准确地描述不同种类岩石峰后H-B强度参数的非线性演化规律,同时参数较少。接着,采用非关联流动法则,将所建GSI演化模型嵌入有限元软件ABAQUS中,实现软化模型的数值求解。最后,对多种岩石的室内试验模拟结果表明,所建模型可正确描述不同围压下硬岩和软岩的峰后应变软化变形及剪胀变形,具备良好的适用性。与定临界塑性应变或定剪胀角的应变软化模型模拟结果相比,所建模型模拟曲线可一致性地与试验曲线接近。

基于应变软化指标的岩石非线性蠕变模型

研究并提出一种以应变软化指标为基础的岩石非线性蠕变模型。首先,基于岩石三轴压缩试验结果,分析提出一种峰后应变软化指标R1来描述岩石峰后力学参数软化与塑性变形间的关系。接着,通过分析加速蠕变阶段与峰后段的联系,建立加速蠕变应变软化指标R2,并以此为基础构建非线性黏塑性体。然后,将其与Hook体和Kelvin元件串联,组建非线性蠕变模型,并将模型嵌入ABAQUS有限元程序。最后,针对砂岩和泥岩三轴蠕变试验建立数值模型,模拟曲线与试验曲线吻合良好,说明所建模型适用于硬岩/软岩加速蠕变现象的模拟。其中,参数b对加速蠕变曲线形态起调节作用,显示模型模拟脆性-延性流变破坏的特点。另外,模型参数均可由常规压缩破坏试验以及蠕变试验确定,易于获取。

硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数及剪胀角演化模型研究

根据大量试验资料,研究硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数及剪胀角演化规律,并建立相应演化模型。分析26例硬岩临界塑性应变与围压之间的关系,提出一种具有广泛适用性的3参数幂函数型围压函数,并将其引入塑性内变量中。基于Mohr-Coulomb屈服准则,分析塑性强化-软化变形过程中强度参数及剪胀角随塑性内变量的演化规律,并建立高斯型强度参数演化模型和考虑围压及塑性内变量的剪胀角演化模型。考虑到工程应用中往往将硬岩峰前视为线弹性变形,进一步研究提出峰后强度参数及剪胀角演化模型。对比多组硬岩试验结果与模拟结果,发现应用所建塑性强化-软化变形过程中强度参数及剪胀角演化模型,可正确模拟不同围压下硬岩塑性强化-软化变形过程中轴向变形及环向变形规律;应用所建峰后强度参数及剪胀角演化模型,也可合理模拟不同围压下硬岩峰后塑性软化变形过程中轴向变形及环向变形规律。上述力学模型对不同种类硬岩均适用,具有良好的应用前景。

基于Hoek-Brown准则的应变软化模型有限元数值实现研究

研究提出一种Hoek-Brown(H-B)准则应变软化模型的有限元数值实现方法。分析当前不同脆塑性计算方法的合理性,发现塑性位势跌落可正确计算岩石不同类型破坏,而偏应力等比例跌落和最小主应力不变跌落均存在不足。在此基础上,推导写出基于塑性位势跌落的H-B准则脆塑性隐式本构积分算法,及H-B准则理想弹塑性隐式本构积分算法,并采用一系列应力跌落-塑性流动,将H-B准则应变软化模型嵌入有限元软件ABAQUS中。比较应变软化圆隧围岩收敛位移及应力分布的解析解与本文有限元解,发现二者吻合良好,验证了所建H-B准则应变软化模型的正确性。对某薄上覆盖岩层高内水压输水隧洞工程的计算结果表明,相较理想弹塑性模型,所建应变软化模型可正确反映隧洞顶部围岩塑性区贯通引起的整体结构失稳破坏现象,为工程选择衬砌方案提供依据。