基于三剪能量屈服准则的岩石弹塑性耦合模型

为建立能够准确描述岩石变形过程中能量演化规律的力学模型,提出利用三剪能量屈服准则和弹性剪应变能获取岩石黏聚力与内摩擦角,以及基于三剪能量塑性势函数获取剪胀角的方法,依据所提方法和岩石循环加卸载试验数据,得到了各级围压下不同塑性累积阶段岩石的弹性模量、黏聚力、内摩擦角及剪胀角等参数,发现随着塑性变形的增大,弹性模量呈负指数关系减小,黏聚力峰前线性增大而峰后呈负指数减小,内摩擦角满足比例参数为1、形状参数为1.5的Weibull函数,剪胀角线性减小;随着围压的增大,弹性模量和黏聚力均呈线性关系增大而剪胀角呈线性减小。建立岩石三剪能量弹塑性耦合力学模型,实现了模型在有限差分软件中的二次开发并编写了能量演化监测程序。模拟岩石室内试验,结果表明所建模型能较准确地描述岩石后继屈服过程中的硬化软化、剪胀、围压效应以及能量演化等力学行为。研究成果可为从能量角度研究岩体失稳提供理论支撑和现实手段。

脆性大理岩弹塑性耦合力学模型研究

为全面、深入地揭示脆性岩石的变形和屈服特性,以锦屏T26y和T2b脆性大理岩峰前和峰后循环加卸载试验为基础,分析岩石的弹塑性耦合性质、应变硬化软化性质和关联与非关联流动法则,定义考虑围压影响的塑性内变量以考虑应力历史对屈服过程的影响,进而建立脆性大理岩的弹塑性耦合力学模型,该模型能全面地反映脆性大理岩的弹塑性耦合、应变硬化软化和剪胀特性。针对所提出的弹塑性耦合模型,提出相应的数值迭代计算方法,并在有限差分软件FLAC3D进行实现。通过模拟脆性岩石的室内常规三轴压缩试验表明,所提出的力学模型可以较好地反映脆性岩石的主要力学特性。研究成果为更好地理解和分析脆性岩石的屈服破坏过程提供重要的参考。

大理岩弹塑性耦合特性试验研究

大量研究表明,岩石经历塑性变形时其弹性参数会发生变化,即存在弹塑性耦合现象。为了研究岩石的弹塑性耦合特性,进行了两种大理岩的循环加、卸载试验。试验结果表明:与常规试验对比,循环加、卸载试验对岩石的变形、强度及破坏形态影响较小;弹性参数随塑性变形的变化显著,考虑弹塑性耦合时,弹性参数取体积模量和剪切模量更为合适;基于Mohr-Coulomb屈服准则,计算得到了强度参数,即黏聚力和内摩擦角随塑性内变量的演化规律。所得结论将为岩石弹塑性耦合本构模型的建立提供基本的试验支持。

考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型研究

以锦屏T2b和T2 6y深埋大理岩循环加卸载试验结果为基础,进行如下研究:(1)分析不同围压下锦屏大理岩的弹性参数随内变量的演化规律,得到弹性模量与围压和内变量的定量关系;(2)基于Mohr-Coulomb屈服准则,得到其强度参数随内变量的演化规律;(3)考虑非关联流动法则,分析剪胀角随围压和内变量的演化规律,得到锦屏大理岩的剪胀角与围压和内变量的定量关系;(4)最终建立考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行数值实现,用于模拟分析T2b大理岩的室内常规三轴压缩试验,结果表明,数值模拟与试验结果吻合很好,该模型可以很好地反映大理岩的主要力学特性。所提研究方法和研究结果对于提高深部工程围岩(特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩)变形计算和稳定性分析的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。

非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟

利用Weibull分布模拟煤岩弹性模量和强度的非均匀性,结合煤岩弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型,给出了该数学模型的有限元离散方程,开发了相应的数值计算程序Coupling Analysis。利用建立的模型模拟了辽宁某瓦斯抽放试井瓦斯抽放过程,结果表明,在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发煤岩局部进入塑性状态,塑性区透气系数增加了约4.9倍,而弹性受压区的透气系数最大减小至22%,计算实例的瓦斯压、煤岩有效应力和煤岩变形都呈现非对称性,但服从理论规律,表明采用Weibull分布能很好地模拟煤岩力学参数的非均匀性。

大理岩弹性参数的围压效应与弹塑性耦合模型

以锦屏二级水电站T2 b和6T2 y深埋大理岩循环加、卸载试验结果为基础,对不同围压下大理岩弹性参数的演化规律进行研究,得出其弹性模量随围压和内变量的变化显著,而泊松比随围压则变化不明显。基于试验结果确定了锦屏大理岩弹性模量与围压和内变量的定量关系,建立了考虑弹性参数围压效应的大理岩弹塑性耦合模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行了数值实现,用于模拟分析大理岩室内三轴压缩试验结果,并将模拟结果与不考虑弹性参数围压效应的计算结果进行对比,结果表明:考虑大理岩弹性参数围压效应的数值模拟与试验结果更吻合。研究方法和结果对于提高深部工程围岩(特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩)变形计算的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。

考虑弹塑性耦合的单轴压缩岩样梯度塑性分析

在梯度塑性模型的基础上,假定弹性模量是塑性应变的函数,考虑应变局部化带带内和带外弹性模量的不同变化,对单轴压缩岩样作了考虑弹塑性耦合的梯度塑性分析。该模型同时反映了岩样的弹塑性耦合现象和应变局部化现象。由算例及其分析可知,应变局部化带的宽度与弹塑性耦合无关;弹塑性耦合是峰后曲线下凹部分产生的原因之一;弹塑性耦合对Ⅱ类变形行为的发生有某些抑制作用;仅考虑应变局部化带内的弹性模量与塑性应变耦合时,峰后变形曲线的下凹弯曲更为显著。

弹塑性耦合应变定义与本构方程

岩石屈服之后,弹性参数随塑性变形而变化,即岩石具有弹塑性耦合特征。在弹塑性耦合框架和现有应变分类、定义、本构方程研究的基础上,主要做了以下工作:结合岩石压缩试验,从损伤和塑性变形角度分析了弹性参数随塑性演化的现象;重点研究了加载增量步的应变特征,将与加载应力增量对应的应变增量分解为符合广义Hooke定律的弹性应变增量de^e、不符合广义Hooke定律的弹性应变增量de^e和塑性应变增量de^e;通过采用加载增量步之后的弹性参数将de^e与ds构造弹性关系,分别在应变空间和应力空间中建立了适用于加载、中性变载和卸载条件的本构方程;对表征物质微观结构变化的内变量进行了讨论。所提出的应变分类和定义方法概念清晰,适合于应变强化阶段和应变软化阶段,且所建立的弹塑性耦合本构方程能够反映不同加载条件对弹性参数变化速率的影响,符合岩石的弹塑性耦合力学特性。

混凝土弹塑性耦合疲劳本构模型

考虑到混凝土具有弹塑性耦合的性质,本文运用弹塑性理论在应变空间建立了一个能描述混凝土应变和刚度变化的塑性面,通过改变屈服阈值来分析混凝土在疲劳加载下的本构特征。计算结果表明,该模型能较好的描述混凝土在单轴及多轴单调加载和疲劳加载下的性质。

弹塑性耦合张量的宏细观对偶形式

依据弹塑性耦合问题的不同类型，应用广义正交原理，在应变空间上推导出已知宏、细观形变规律情况下两种不同形式的弹塑性耦合张量理论表达式及其显形式。该两类弹塑性耦合张量作为宏、细观的对耦形式可应用于体胞模型的损伤力学理论分析与数值计算。

圆形巷道脆岩弹塑性耦合解析解

文章针对静水压力作用下的弹-脆-塑性圆形巷道,采用弹塑性耦合模型进行了围岩应力和位移的解析研究,采用线性的Mohr-Coulomb准则和非关联流动法则推导了圆形巷道岩体应力和变形解析解;从理论上确定了峰值后区岩石的强度参数与弹性模量之间的限定性关系,分析了不同峰后弹性模量劣化程度下圆形巷道围岩应力和变形规律。研究结果表明,弹性模量的劣化不会改变围岩塑性区范围和应力分布状态,但会引起围岩变形量的剧增。

横观各向同性岩石弹塑性耦合变形的试验研究

层理状岩石的变形具有各向异性和弹塑性耦合的特点。推导出各向异性岩石弹性变形参数是塑性应变和加载角度的函数。在此基础上,设计并完成具有明显层理状结构的泥质板岩的三轴循环加卸载试验。试验结果表明:泥质板岩的视弹性模量随塑性应变的增大呈指数规律衰减,视泊松比随塑性应变的增大而增大。提出2个经验函数来分别描述视弹性模量、视泊松比与岩样轴向塑性应变、加载角度间的关系,并获得经验函数中相关参数值,据此绘制视弹性模量随加载角度和塑性应变变化的三维空间曲面图。弹性变形参数的各向异性程度随塑性应变的增大而降低。

地下结构和岩土介质弹塑性耦合分析的摄动半解析法

本文研究了一个用于物理非线性相互作用分析的有效的数值方法·结构和介质耦合分析的弹塑性问题可用摄动法转化为几个线性问题，然后对相应的线性问题分别用有限条和有限层法分析地下结构和岩土介质以达到简化计算的目的·这种方法用了两次半解析技术———摄动和半解析解函数———将三维非线性耦合问题化为一维的数值问题·此外，本法是半解析法结合解析的摄动法应用于非线性问题的新进展，同时也是近年来发展的摄动数值法的一个分支·

应变空间表述的混凝土弹塑性耦合本构模型

考虑到岩土类材料的应变软化和弹塑性耦合特点，从Ｉｌ’ｙｕｓｈｉｎ公设出发，把弹性模量看成是塑性应变的函数，直接从应变空间构造初始屈服函数并确定加载函数，推导出一个应变空间表述的本构模型。该模型不但可以描述材料的强化段，而且可以描述材料的软化段并能反映材料弹塑性耦合的性质。给出的两个简单算例说明了该模型的有效性。

岩盐弹塑性损伤耦合模型研究

岩盐力学模型是进行能源岩盐储存工程稳定性分析的基础,而损伤和塑性机制并存且相互耦合是岩盐力学行为的基本特点。采用云应岩盐,进行了多组围压条件下的三轴压缩试验,分析了不同围压下岩盐的变形特征。在试验分析的基础上,提出了一种能够描述岩盐特性的弹塑性损伤耦合的模型,该模型描述了岩盐损伤的演化和塑性变形的耦合关系,并引入了一种非关联的塑性流动法则来描述岩盐从塑性体积压缩到膨胀的转化。采用该模型对在三轴压缩下的岩盐应力-应变关系进行了模拟分析,并与试验数据进行了对比,结果表明该模型能够较好地描述岩盐的主要力学和变形特性。

膨胀性非饱和土的双尺度毛细–弹塑性变形耦合模型

从宏观和微观角度,在已有的膨胀性非饱和土的双尺度本构模型BExM和湿陷性非饱和土的毛细–弹塑性变形耦合模型的基础上,发展和建立了一个可预测膨胀性非饱和土的毛细滞回和力学行为耦合的双尺度本构模型。模型考虑了土体微观结构的体变及其对宏观结构行为的影响,以及毛细和力学行为之间的耦合作用。对已有的膨胀性非饱和土的常净应力下吸力循环试验进行预测,预测结果表明该模型能够定量地描述膨胀性非饱和土的毛细和力学行为。

考虑弹塑性损伤耦合的绿泥石片岩力学模型研究

深埋绿泥石片岩现场工程和室内试验揭示绿泥石片岩在外荷载作用下存在弹塑性损伤耦合行为,考虑弹塑性损伤耦合建立力学模型是进行工程稳定性分析的基础。通过三轴试验对锦屏二级水电站绿泥石片岩的力学特性进行了研究,重点分析了围压对强度、变形、剪胀等非线性特征的影响;基于试验结果,根据绿泥石片岩在受压条件下表现出的塑性剪切和损伤弱化机制,提出了可以反映损伤弱化的损伤演化方程和反映塑性强化作用的加载方程和势函数,并提出适用的本构方程。室内三轴试验的模拟结果表明本文提出的力学模型与试验结果有较好的一致性,对类似深埋软岩地下工程的稳定性分析具有借鉴意义。

计算套损的弹塑性流固耦合数学模型及算例

分析了套管周围储层渗流场及岩体变形场流固耦合作用机理,根据相关理论建立了考虑渗流场和变形场耦合作用的数学模型以及判断储层岩体、水泥环和套管变形的弹塑性数学模型,并编制了相关程序,应用有限元法对实际油田储层和注水套管进行了计算,确定了导致套管变形的极限注水参考压力和井底压力的变化情况,对今后套损的分析、计算、预防、数值模拟及相关软件的编制起到重要的理论和实际作用。

岩石弹塑性损伤耦合本构模型

在不可逆热力学框架内，推导了岩石材料弹塑性损伤耦合的本构模型。

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。