基于Hoek-Brown准则的岩体高温-荷载耦合损伤模型及其验证

针对隧道岩体在高温和荷载共同作用下产生的耦合损伤问题,基于连续损伤力学理论,引入高温-荷载耦合损伤因子,建立了考虑高温作用的广义Hoek-Brown(H-B)准则的弹塑性损伤本构模型,解决了模型在数值积分过程中的奇异点问题,并利用Fortran语言编写了模型的有限元程序。结果表明:模型计算的应力-应变曲线与试验所得到的曲线趋势一致且计算结果误差在5%以内,温度作用下隧洞围岩损伤逐渐加剧,验证了模型的准确性和程序的稳健性,可为火灾作用下隧道围岩安全稳定性评价提供一种有效计算方法。

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅱ):参数反演及数值模拟

海底隧道或近海富水区隧道围岩长期处于地下水环境中,围岩稳定性受渗流场的影响较为明显,由于渗流场作用使得应力场、损伤场发生变化,而围岩应力场、损伤场的变化又对渗流场产生反作用,三场耦合效应十分显著。针对耦合模型中参数多、确定难度大的问题,进行耦合模型中损伤参数的反演。采用基于岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型所编制的计算程序和智能位移反分析程序,对大连地铁海事大学试验线路过河段隧道施工过程中的围岩稳定性进行数值计算。根据现场监测位移采用耦合模型进行损伤参数反演,其中耦合计算中采用应力场与渗流场分别迭代求解的间接耦合方法进行有限元计算,利用反演的参数对隧道围岩应力场、渗流场、损伤场分布规律及衬砌结构的受力特征进行了分析。研究结果表明:利用位移反分析法得到的围岩力学参数进行类似地质条件的隧道围岩数值分析是可行的,进而可以预测围岩的变形破坏模式,判断围岩的稳定性。与此同时,通过数值计算可知,地下水的渗流作用对近海隧道的围岩变形有一定的影响,增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计是应该考虑三场耦合效应的,计算结果可以指导隧道防排水施工质量的改进与提高,为近海富水区隧道开挖设计提供一定的理论参考。

有限应变下蠕变—弹塑性—损伤耦合本构模型的数值模拟

本文提出了一个模拟有限元应变下各向同性蠕变－弹塑性－损伤耦合本构行为的数值模型。模型基于不可逆过程的热动力学和内状态变量理论、以及应力就变本构关系的超弹性形式描述和变形梯度的弹性及非弹性部分的乘式分解。

基于应变能的岩石黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型及应用

在Perzyna黏弹塑性理论的基础上,引入基于应变能理论的岩石细观单元强度损伤模型,同时考虑岩石蠕变过程中蠕变速率随时间变化的特性,构建了能描述岩石从初始蠕变、稳定蠕变到非线性加速蠕变整个蠕变过程的细观黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型,并将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D)中,通过实验数据验证该模型的正确性。应用该模型进行不同轴向应力、不同围压和不同均质度系数条件下的单、三轴压缩蠕变过程数值实验,结果表明:(1)轴向应力提高增加了蠕变速率,因此减少了蠕变失效时间;(2)围压和均质度系数的增加降低了蠕变速率并增加了蠕变失效时间,较好的再现了典型的实验现象。将该模型用于解释煤矿中"蠕变型"冲击地压的力学机理,较好的反映了煤矿巷道开挖后弹性应变能累积,围岩经历稳定蠕变和加速蠕变的损伤破坏过程,可为岩体工程的长期稳定性研究提供分析工具。

基于弹塑性损伤-渗流耦合模型的隧道洞口段围岩稳定性研究

为分析复杂条件下隧道洞口段稳定性问题,建立基于Mohr-Coulomb准则的岩石弹塑性损伤-渗流耦合模型,利用完全隐式的向后欧拉算法编制弹塑性损伤模型的应力积分程序。在此基础上,利用ABAQUS平台的子程序接口实现耦合模型的有限元计算。将该模型应用于福建某洞口段隧道工程的围岩稳定性评价中,分析不同降雨强度下洞口段结构的安全系数、位移及损伤值的变化规律。结果表明:隧道洞口段结构的安全系数、损伤区和位移均会随着降雨进程的发展发生变化,雨季应加强监测频率。

应变空间表述的混凝土疲劳塑性/损伤双面本构模型

考虑到混凝土具有塑性和脆性相结合的复杂性质,运用损伤和塑性理论在应变空间分别建立了一个能描述混凝土应变和刚度变化的损伤面和塑性面,应用有效应力和弹塑性耦合的概念分析了混凝土的本构特征.计算结果表明,该模型能较好地描述混凝土在单轴及多轴单调加载和疲劳加载下的性质.

温-压耦合作用下深层盐岩盖层封闭能力演化特征

为了研究温-压耦合作用对盐岩盖层封闭能力演化的影响,选择中国金坛盐洞的盐岩样品,利用高温-高压三轴岩石力学测试系统实验装置,设计开展恒温变压、恒压变温以及温-压耦合3组实验,模拟温度、压力条件对盐岩盖层封闭能力演化的影响。研究结果表明:①温-压耦合作用导致盐岩短期强度大幅减弱,塑性大幅增强,缩短了脆-塑性转化时间,其中,由温度引起的盐岩短期强度降低百分比(T_(i))大于35.06%;压力引起的盐岩短期强度降低百分比(p_(i))最大只有38.25%,表明埋藏过程中,盐岩力学性质主要受控于温度。②单一压力作用下,盐岩裂缝具有逐渐减少、愈合的趋势;而温-压耦合作用下,盐岩会出现“裂缝再次发育”现象,其中,低温阶段(温度<90℃),压力占主导地位,高温阶段(温度≥90℃),温度占主导地位,盐岩出现蠕变损伤。③建立“深层盐岩”“脆性—脆-塑性—塑性—蠕变损伤—损伤愈合”演化模式,其中,蠕变损伤阶段对于盐下油气藏的保存极为不利。因此,准确厘定盐岩封闭能力的演化特征可为深层盐下油气藏的富集规律分析提供理论依据。

下穿暗涵盾构隧道施工过程损伤-渗流耦合分析

针对下穿既有暗涵盾构隧道施工过程中的开挖扰动问题,首先给出了基于Mohr-Coulomb准则的岩体弹塑性耦合损伤模型,同时引入损伤变量-渗透系数演化方程,建立了岩体弹塑性损伤-渗流耦合模型;其次,利用ABAQUS软件的子程序接口,编写了模型的求解程序;为避免数值积分过程中的飘零问题,采用了完全隐式的向后欧拉算法,通过在主应力空间中分区域讨论的方式,解决了M-C准则数值积分过程中的奇异点问题;最后,将该模型应用于南昌地铁三号线工程,分析了盾构施工过程中地表与上部暗涵的变形规律,周围岩体的损伤值和孔隙水压的分布规律,依据计算结果提出了合理的施工建议。

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。

断裂应变对含损伤焊接接头裂纹扩展驱动力影响的数值

利用弹塑性损伤 -应变耦合有限元方法 ,对含有损伤的焊接接头三点弯曲裂纹试样进行了模拟计算 ,讨论了母材区的断裂应变εfB的变化对焊缝区裂纹的扩展驱动力J积分的影响规律。结果表明 ,焊缝中裂纹的断裂行为受到焊缝两侧母材断裂应变的明显影响。对于无论何种强度匹配的接头 ,在焊缝区各项力学性能参数保持不变的条件下 ,随着母材区断裂应变的减小 ,损伤率的增加 ,损伤区的扩大 ,焊缝中裂纹韧带区塑性应变及裂纹扩展驱动力J积分均有明显的提高 ;随着接头强度匹配比M的降低(即母材屈服强度的升高 ) ,母材区断裂应变的变化对J积分的影响作用逐渐减弱 ;随着焊缝宽度的逐渐增加 ,母材断裂应变的变化对J积分的影响作用逐渐减弱 ,焊接接头试样的计算J积分值逐渐趋向于全焊缝材料试样计算得到的J积分值 ;当焊缝宽度增加到2H/a约为 0 .6时 ,母材断裂应变的变化对焊缝区裂纹扩展驱动力J积分的影响作用完全消失。

结晶岩开挖损伤区的温度–水流–应力–化学耦合研究

介绍国际合作研究计划DECOVALEX-THMC的TASKB关于结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究的部分进展情况,给出结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究的基本研究思路,以典型地下实验室(如瑞典?sp?硬岩实验室)的试验为基础,进行开挖损伤区的形成与演化机制规律分析,建立弹性、弹塑性、黏弹塑性的THMC分析模型,开发高效的数值分析软件系统,并分析结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合作用行为,通过各个研究小组背靠背的研究,然后进行成果对比、相关专家对分析结果的技术审查,以及修改和更新,以获得比较准确模拟结晶岩开挖损伤区的THMC模型。在此基础上,形成结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究工作指南,为高放核废物地质处置研究工作提供理论、方法和技术支持。

CO_2注入下岩层变形和流体运移分析(I)：两相流-岩层耦合模型

目前国内关于CO2咸水层封存尚处于先导性和试验性研究阶段,对超临界CO2注入过程中岩层力学响应和流体运移的理论与技术方面的认识还不完善。为研究CO2注入下岩层变形和流体运移,基于两相流动数学模型,给出了超临界CO2和咸水质量守恒方程;采用毛细压力和有效饱和度的关系式,将质量守恒方程变换成以毛细压力为变量的表达式,以便于考虑流体压力对岩层的影响。提出了无流体压力影响下的岩层力学本构模型,该模型能够同时考虑岩层的塑性变形和损伤。分析了两相流体-岩层相互作用机制:一方面,采用有效应力原理,考虑流体压力对岩层的力学影响;另一方面,通过岩层固有渗透率变化考虑岩层变形对流体运移的影响。

非饱和土的水力和力学特性及其弹塑性描述

简单回顾了非饱和土本构模型研究的发展历程,总结了近几年非饱和土弹塑性本构模型最新研究成果,重点介绍了能统一模拟非饱和土水力性状和力学性状耦合的弹塑性本构模型。通过对建立模型过程中的几个核心问题讨论,较详细地说明该类模型的结构、性能以及相关问题。非饱和土水力性状的滞回性用假定存在饱和度弹性区间的弹塑性过程来模拟;该类耦合模型不仅考虑了吸力对非饱和土水力性状和力学性状的影响,还考虑了饱和度对应力-应变关系和强度的影响以及土体变形对土-水特征曲线的影响。用同一套模型参数,耦合模型可统一预测在吸力控制或含水率控制下沿各种应力路径下非饱和土的水力-力学特性,并简单介绍了膨胀性非饱和土的弹塑性本构模型以及耦合模型在有限元数值计算中的应用。

圆坯三辊斜轧过程的三维有限元热-力耦合分析

用非线性有限元分析软件MSC.MARC/Autoforge,对圆坯三辊斜轧过程进行了三维弹塑性热-力耦合模拟仿真,得到了应力、应变场和温度分布。发现圆坯三辊斜轧时的应变强度在轧件纵剖面上的分布形态与圆坯二辊斜轧极为相似,也呈“W”型。在相同轧辊倾角条件下,圆坯三辊斜轧时变形分布的不均匀性明显比二辊斜轧时大。

水-力耦合作用下隧道围岩本构模型研究

水-力耦合作用下的脆性岩石力学行为对高压富水隧道工程的稳定性和安全性具有重要意义。本文提出了一种基于细观力学的脆性岩石弹塑性损伤模型。该模型在饱和介质不可逆热力学框架下推导了水-力耦合作用下脆性岩石损伤演化和塑性流动的演化规律。采用细观力学均匀化方法建立了损伤和强度屈服准则。与传统的唯像学模型相比,本文提出的模型能够反映水-力耦合过程脆性岩石损伤破裂机理,并且具有模型参数少,物理意义明确的优点。采用隐式本构积分算法得到了弹塑性和损伤耦合作用的计算表达式。通过对不同围压和不同渗压下的脆性岩石的一系列三轴压缩试验模拟。表明该模型能够较好地反映了水-力耦合作用下脆性岩石的主要力学行为。

三场耦合作用下黏土岩损伤变形特性及本构模型

深部地下围岩常常处于温度场、渗流场、应力场等多场耦合作用,研究黏土岩在温度-渗流-应力场耦合作用下的变形损伤演化过程尤为重要。从试验和理论模型2个方面对黏土岩开展了温度-渗流-应力三场耦合特性研究,结果表明:高温会造成黏土岩内部结构发生质的劣化,黏土岩的温度越高,其峰值强度越小,而应变变形量越大;渗透系数随变形总体呈先减后增的趋势,并在峰后阶段略有降低,分别与体变压缩硬化、剪胀损伤、软化剪胀3阶段相对应,体积变形的转折拐点即为渗透率加速增大的临界点;黏土岩的渗透率随温度升高呈先减小后增大的趋势,当温度<50℃时,渗透率随温度升高而减小,当温度>50℃后,随温度升高而增大;温度越高,黏土岩的"实损伤"发展越快。基于试验结果,建立了温度-渗流-应力三场耦合作用下的损伤本构模型,该模型能较好地模拟黏土岩三场耦合作用下的损伤变形演化过程。

钢-混凝土混合结构振动台试验的弹塑性损伤分析

通过LS-DYNA程序,二次开发了钢材和混凝土单轴弹塑性损伤本构模型,其中钢材损伤模型采用混合强化准则,可考虑材料的Bauschinger效应;混凝土损伤模型定义了拉、压两个损伤指数,能较为准确地模拟混凝土单边效应、箍筋约束效应等。结合程序中基于显示算法的纤维单元,建立了结构整体数值分析模型,并通过一个缩尺比例为1∶4的3层钢-混凝土混合结构模型振动台试验,验证了数值分析模型的分析精度,数值模拟得到了模型结构的损伤发展过程。此外提出一种通过实测应变反演应变测试部位材料的应力和损伤发展的方法,研究表明,应变反演能充分利用应变测试数据,获得材料应力和损伤发展过程,并对结构的性能退化进行评估。

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。

天然气水合物注热分解诱发储层变形破坏的正交数值模拟研究

针对天然气水合物热分解而引起的储层失稳破坏机理及影响因素不明确的问题,考虑因水合物热分解引起的地层传热、孔隙流体渗流和固体骨架的变形破坏,建立了水合物沉积层的热-流-固耦合模型及其作用下储层固体骨架的弹塑性本构模型。基于ABAQUS软件的USDFLD子程序进行二次开发,开展正交实验数值模拟,分析注热温度差、水合物沉积层的绝对渗透率和有效主应力差对水合物沉积层近井储层变形破坏影响的敏感性及影响机理。结果表明:对近井储层变形破坏影响的敏感程度由大到小依次为有效主应力差、绝对渗透率、注热温度差;水合物热分解引起的近井储层力学性质劣化和有效应力下降是导致其发生变形破坏的主要原因;有效主应力差越大,等效塑性应变最大值越大,并且受水平地应力非均匀性的影响,近井储层变形破坏最严重的位置始终位于井眼最小水平地应力方向上。该研究成果可为热激法开采天然气水合物或含水合物地层的钻井作业提供借鉴。