层状岩体的弹粘塑性Cosserat介质理论及其工程应用

本文以层状岩体为研究对象，建立了考虑弯曲效应的层状岩体弹粘塑性本构关系，推导了有限元计算模式，并将该理论应用于龙滩工程左岸进水口反倾向层状岩体边坡的初始地应力场反演、开挖变形与稳定计算分析中．

具有弯曲效应的层状结构岩体变形的Cosserat介质分析方法

在反倾向层状岩体边坡、有底鼓现象的巷道以及隧洞工程中，岩体常出现弯曲变形及弯曲破坏现象。常规的等效连续介质理论忽略了梯度应力的影响，因而不能很好解决上述工程问题．Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论以具有一定尺度的微元体为研究对象，引进了偶应力及弯曲曲率概念，从而考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响。本文首先介绍Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论的基本原理，然后建立有限元计算模式，最后通过算例，说明这种模式对计算具有弯曲效应的展状岩体变形问题是有效的。

应用离散偶应力单元分析弹性Cosserat介质

讨论了平面弹性偶应力问题的有限元方法,提出了离散偶应力单元的理论和构造方法,其特点是独立假设单元的位移和微观转角,偶应力理论中微观转角和宏观转角相等的假设在单元中以离散形式强加.该类单元列式简单,易于编程,且有满意的精度.并构造了一个三角形九自由度离散偶应力单元DCT9(discreteCoss erattriangular).数值结果表明该单元能够较好地描述Cosserat介质的力学性质.

层状盐岩体的三维Cosserat介质扩展本构模型

考虑到深部地下岩土工程一般是较复杂的三维问题,在层状盐岩体二维Cosserat介质扩展本构模型基础上,针对不同岩层交替而成的互层盐岩体,建立了宏观平均意义下考虑细观弯曲效应的三维Cosserat介质扩展本构模型,并给出了模型的初步试验验证。该模型既能分析硬(软)夹层对层状盐岩体刚度的强化(弱化)作用,又能考虑由于夹层的存在而导致的层状盐岩构造体宏观意义下力学特性的各向异性,为层状盐岩体及其他层状介质变形和破损分析提供了一种新的思路和方法。该模型可直接推广到非线性问题。结合数值分析软件可进行层状介质体内复杂洞室稳定性分析。

互层盐岩体的Cosserat介质扩展本构模型

针对由不同岩层交替而组成的互层盐岩体,如含夹层盐岩体,建立一种新的代表单元,考虑具有不同力学特性相邻岩层之间的细观位移协调,建立了宏观平均意义下考虑细观弯曲效应的Cosserat介质扩展本构模型,并对该模型进行了初步的试验验证。该模型为分析层状盐岩体提供了一条新思路:首先利用该模型求得平均意义下的Cosserat应力,然后再回到某材料点,得到传统意义上的各层岩体的不等梯度的甚至非连续的各层介质的应力应变;结合传统的材料强度理论,可以判断某层盐岩体介质是否开始破坏。该模型可直接推广到三维和非线性问题,将为层状盐岩体内硐室稳定性分析提供关键理论基础。

层状盐岩体三维Cosserat介质扩展本构模型的程序实现

对层状盐岩体内的油(气)储存硐室进行稳定性计算时,如何选用恰当的本构模型来反映层状盐岩体的特点是至关重要的。针对我国大多数盐矿为多层盐岩的地质构造特征,基于宏观平均意义下的考虑细观弯曲效应的三维Cosserat介质扩展本构模型,结合FLAC3D软件的主要计算思路,使用VC++平台开发了该模型的FLAC3D接口程序,并编译成动态链接库DLL文件。经算例验证,该程序的计算结果可靠,不仅可以考虑不同力学特性的岩层先后破坏引起复合体单元的渐进损伤破坏,而且引入了夹层体积含量等统计参数后可大大节省单元网格数量,为大型层状岩体内的地下硐室稳定性数值模拟计算奠定了基础。

层状岩体的Cosserat介质理论中第二剪切模量G^c的研究

针对层状结构岩体，从建立一个标量出发，推导出二维平面应变状态下，Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论中第二剪切模量Ｇｃ值。最后通过算例，分析了Ｇｃ对计算结果的影响。

层状岩体的Cosserat介质均匀化

将层状岩体视为由Cosserat介质组成的复合体,对其进行均匀化等效,在MATLAB平台上进行有限元编程,得到新等效本构关系。不仅能反映层状岩体的弯曲特性,而且可以对节理岩体的力学性能进行宏观和细观描述。通过对洞室算例进行显式节理模型、横观各向同性模型以及均匀化Cosserat等效模型三种方法的数值计算比较,证明理论分析与计算方法可行有效。

泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征,对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究,对比分析3种试样的变形和破坏特性。试验结果表明:泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响,强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏;此外还观察到应力–应变曲线的“应力跌落”现象。针对试验结果,利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析。分析结果表明,泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用,这很好地解释试验结果,这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油(气)储库洞室稳定性分析提供理论基础。

泥岩夹层对层状盐岩体中储库稳定性影响

针对盐矿常为不同岩层交替而成的互层盐岩体的基本特点,利用宏观平均意义下考虑细观弯曲效应的三维 Cosserat介质扩展本构模型的 FLAC^(3D)接口程序,对湖北云应地区的 ZK1075,ZK1083,ZK1099溶腔进行了计算,不仅考虑了刚度异于盐岩的泥岩对复合体弹性特征的影响,并且考虑了由于各层内部位移协调引起泥岩夹层先行破损,进而引起复合体变形和破坏。计算结果表明,云应地区的层状盐岩体中的刚度、强度较大的泥岩夹层对层状盐岩复合体具有强化作用,对盐岩溶腔造腔后的稳定性有利。

弹性介质中任意形状细长曲梁的Cosserat模型

Kirchhoff动力学比拟理论使动力学的概念和方法进入弹性杆力学的研究领域。Cosserat弹性杆模型考虑Kirchhoff模型所忽略的截面剪切变形、中心线伸缩变形和分布载荷等因素,更适合工程中大变形细长梁的动力学建模。该文以弹性介质中任意形状中心线的圆截面细长曲梁为对象,基于Cosserat模型建立以截面的姿态角和挠度为未知变量的精确动力学方程。其直梁小变形特例为弹性介质中的Timoshenko梁。将Lyapunov运动稳定性理论的时间变量置换为空间变量,可用于判断梁的平衡稳定性。以弹性介质中轴向受压Timoshenko梁为例,讨论梁平衡状态的Lyapunov稳定性与欧拉失稳传统概念之间的区别和相互联系。导致梁屈曲的欧拉载荷可利用满足Lyapunov稳定性梁的受扰挠性线和端部约束条件导出。在一次近似条件下证明空间域内的Lyapunov稳定性和欧拉稳定性是时间域内的Lyapunov稳定性的必要条件。

偶应力理论的工程适用性分析

从概要介绍Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论和约束转动的Ｃｏｓｓｅｒａｔ介质理论出发，简单比较了两种理论的特点，进而通过算例比较两种理论的数值特性，最后指出。