弹脆塑性岩体圆形隧道水力耦合分析

随着我国建设需求的不断上升,原有的交通运输已经很难满足预期要求,由此深埋隧道成为了受到广泛关注的领域,对于拓展运输能力有着重大意义。深埋隧道的施工面对着复杂的外部环境和影响因素,因此,技术人员需要对隧道结构展开深入研究,探究水力耦合行为的影响。从弹脆塑性岩体圆形隧道水力耦合分析的基本假定出发,研究了其计算流程及解的验证,以期为我国交通运输行业的持续发展提供可靠支持。

采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型及应用

为提高保护层开采的有效性、安全性和经济性,通过引入理想弹脆塑性模型和内切圆准则,采用FLAC3D技术,在德鲁克–普拉格塑性流动格式基础上建立采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型的数值格式。利用VC++2005开发环境将本构模型编写成可供FLAC3D软件调用的自定义模型,并通过试件单轴和三轴压缩数值试验的对比,验证模型用于研究采动煤岩体脆性应变软化特征的正确性和合理性。将所建立模型用于阳泉新景矿超远距离保护层开采的数值模拟得出:位于保护层上部125m的超远距离被保护煤层处于裂隙带上边缘,被保护层卸压瓦斯取得良好效果,能利用保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采消除被保护层的突出危险。计算结果与物理相似模拟结果基本吻合,表明所建立的采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型可用于保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采效果的预评价。模拟结果可为保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采设计提供合理建议。

小湾水电站地下厂房洞室群弹脆塑性分析

针对小湾水电站枢纽区岩性特点与所处的地应力环境,采用脆塑性本构模型,分析了地下厂房洞室群开挖后围岩的变形与破损区;同时比较了使用脆塑性与弹塑性本构模型时计算结果的差异。由于地下厂房洞室群区域受到多条断层切割,洞室开挖完成后,在断层经过的部位,断层对洞室的变形与破损区有一定的控制作用。针对工程中所关心的断层对洞室稳定性的影响程度,通过断层材料的置换,定量地给出了在断层经过的区域、断层对洞室表面的变形的影响以及断层对洞室围岩的破损区的影响。

考虑剪胀的弹脆塑性软化柱形孔扩张问题

从常规试验成果出发，用弹脆塑性模式来模拟应力应变软化曲线，着重考虑塑性区的剪胀特性，采用双剪统一强度理论的屈服函数形式，推导出柱形孔扩张时，应力场、应变场、位移场和最终扩张压力的显式表达式．运用所得公式，分析了不同模型、不同剪胀特性、不同软化程度对柱形孔扩张时，应力。

弹脆塑性理论与三峡工程船闸开挖数值模拟

长江三峡花岗岩测试表明，其应力应变全过程曲线呈现典型的弹脆塑性。按弹脆塑性本构理论与数值求解技术，改制成相应的有限元程序，对三峡船闸实现了开挖数值模拟。

统一强度准则下厚壁圆筒的弹脆塑性承载能力分析

应用统一强度准则和弹脆塑性变形模型,研究材料具有软化效应的厚壁圆筒的承载力。分别导出在内压及外压作用下厚壁圆筒弹脆塑性承载力的计算公式。这些公式不仅给出了以往基于MohrCoulomb准则和广义双剪准则的结果,而且给出了一系列新的结果,因而本文的结果可适用于多种材料。实例表明材料软化效应以及分析中所选用的强度准则对厚壁圆筒承载力具有重要影响。因此,在确定厚壁圆筒承载力时,应该合理地选用材料的软化参数及强度准则。

柱形孔压缩与扩张问题的统一弹脆塑性解答

在岩土工程中,柱形孔压缩和扩张问题的研究有着广泛的应用。本文基于统一强度理论,考虑应变软化、剪胀和中间主应力等因素的影响,假设柱形孔在半无限空间中受轴对称应力,通过分析内部应力的不同取值,将柱形孔压缩和扩张的弹塑性解答统一起来。研究表明,柱形孔扩张与压缩问题具有高度的相似性;对于弹脆塑性材料,在弹塑性交界面上,法向应力是连续分布的,切向应力不连续;而切向应变是连续的,法向应变不连续。此外,还探究了中间主应力系数对弹塑性解答影响。该解答可通过选取特定的参数退化为许多现有的公式,具有一定的统一性和实用价值。

Eu^(3+)掺杂ZnO-MgO-La_2O_3-B_2O_3基发光光纤的弹脆塑性

采用高温固相反应法制备了Eu3+掺杂ZnO-MgO-La2O3-B2O3基质的光致发光光纤,通过轴向拉伸试验测量了该光纤的应力-应变曲线。应用弹脆塑性理论研究了屈服面的变化和应力-应变的本构关系,计算了拉伸弹性模量、拉伸强度、拉伸最大负荷、拉伸强度的应变、断裂伸长率和材料的脆性指数。结果表明,该光纤弹性模量高于普通玻璃和大理石,接近于硬铝合金和轧制铝,其拉伸强度和所能承载的负荷都较大。

考虑剪胀的弹脆塑性软化球形孔扩张问题

用应力一次跌落软化模式来模拟应力应变软化曲线；用双折线来模拟体变ε＿Ｖ—大主应变ε＿１，小主应变ε＿３一大主应变ε１关系，推导出球形孔扩张时，应力场、应变场、位移场和最终扩张压力的显式表达式。运用所得公式，分析了不同软化程度，不同剪胀特性和初始地应力场对球形孔扩张时，应力、位移及塑性区开展规律的影响。

基于ABAQUS的弹脆塑性本构模型二次开发及其应用

在复杂应力状态下,大理岩、花岗岩等脆性岩石呈弹脆塑性破坏形式。利用ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT的二次开发平台,编制完成了基于D-P准则的弹脆塑性模型的UMAT接口程序。论文简要介绍了ABAQUS有限元软件及其UMAT用户材料子程序,重点对基于D-P屈服准则的弹脆塑性本构模型的应力跌落公式进行了推导,并讨论了有关的应力更新算法。最后应用该程序对某引水隧洞工程进行了数值分析,并与理想弹塑性情况下的计算结果进行对比研究。结果表明:与理想弹塑性模型相比,弹脆塑性模型得到的洞周围岩变形和塑性区范围较大,与实际情况更为接近。

大型硬岩地下硐室围岩二次应力场特征弹脆塑性分析

结合某水电站硬岩地下厂房开挖,运用FLAC3D软件,对不同地应力环境中大型地下硐室开挖围岩的二次应力场的大小变化、分布特征及其对围岩稳定性的影响进行了三维弹脆塑性数值模拟分析。分析结果表明:①在低地应力环境中,顶拱浅部围岩1σ随开挖逐渐增大,2σ基本不变,3σ在顶拱开挖时迅速降低。而在较高地应力环境中,在顶拱开挖时,应力处于三向迅速卸荷状态;②无论在较高还是低应力环境中,边墙和底板浅部围岩的应力变化路径基本一致,开挖出露时,均处于三向卸荷应力状态;③较高地应力环境中的应力松弛区、集中区及围岩塑性区的分布范围和深度均比较低地应力环境中开挖要大(深);④开挖结束后,围岩的σ1平行于硐室轮廓线,而σ3指向开挖面;⑤硬岩大型地下硐室开挖,由于围岩浅部应力差迅速增大,岩体可能出现脆性破坏,甚至出现岩爆现象。

基于统一强度理论的扰损围岩巷道脆塑性解答

钻爆法施工常造成岩质巷道扰损区围岩性能劣化。针对扰损围岩、扰损外围岩的弹塑性状态下不同的扰损围岩巷道力学模型,采用统一强度理论、弹-脆-塑性模型和非关联流动法则,建立扰损围岩巷道有关应力、位移和塑性区半径的脆塑性解答,探讨巷道力学模型的转换路径及判定方法,并将结果进行对比、验证,获得各因素的影响规律。研究表明:提出的巷道脆塑性解答合理反映了中间主应力、围岩扰损范围和峰后强度、剪胀特性的综合影响,通过参数组合变换可退化为多种解答并得到正确性验证,具有重要的理论意义和应用前景;巷道力学模型判定与中间主应力、围岩扰损范围密切相关,显著影响巷道应力-位移分布和围岩特征曲线;支护压力和巷道稳定变形随着围岩峰后强度下降、剪胀特性参数增加而明显增大。

弹脆塑性软化本构理论的特点及其数值计算

对大型复杂工程岩体结构，其材料的宏观力学性能的变形劣化是结构在外界条件作用下变形增加和稳定性降低的主要因素之一。本文通过引入应力跌落时发生各向同性软化的假定，给出了完整的弹脆塑性本构积分的数值格式和增量型弹脆塑性有限元求解算法。由典型结构的数值解与相应的解析解比较可见，本文数值解的精度是令人满意的。这说明本文弹脆塑性本构积分数值格式是合理的、有效的。所设计的有限元计算程序能够用于弹脆塑性材料组成的结构的力学行为的分析。

双层组合厚壁圆筒弹脆塑性极限内压统一解

基于三剪统一强度准则和弹脆塑性软化模型,考虑材料的脆性软化和中间主应力效应,推导了双层组合厚壁圆筒弹脆塑性极限内压统一解,探讨了粘聚力、内摩擦角、半径比、强度理论参数和中间主应力系数的影响特性,克服了以往基于Tresca屈服准则、Mises屈服准则或双剪强度理论的理想弹塑性解的不足。研究结果表明:中间主应力、材料模型和脆性软化对厚壁圆筒的极限内压均有显著影响。该文所得统一解具有广泛的适用性和理论意义,不但可退化为现有公式,而且还能得到系列化的新解答,对组合厚壁圆筒的设计及工程应用有重要参考价值。

弹脆塑性围岩应力和位移的广义SMP准则解

该文基于广义空间准滑动面SMP(Spatial Mobilized Plane)强度准则,对圆形隧洞围岩的应力和位移,得到了可考虑中间主应力和材料脆性软化影响旳弹塑性解和弹-脆-塑性解,给出了隧洞围岩的应力、位移、临界支护力与塑性区半径的表达式。通过将该文的弹塑性解与经典的圆形隧洞弹塑性解(卡斯特纳解)进行对比,验证了建立的公式的正确性,同时通过与基于Mohr-Coulomb强度准则的弹-脆-塑性解析解进行对比:论证了中间主应力和材料脆性软化对围岩稳定性的影响显著,考虑中间主应力的影响可以发挥围岩的强度潜能,能使围岩的强度和变形规律更接近工程实际,所得成果有重要参考价值。

考虑围压影响的岩石弹脆塑力学模型

为模拟围压对岩石峰后强度、模量退化和剪胀的影响,将岩石的变形过程简化为线弹性变形、脆性跌落和理想塑性3个阶段,利用退化指数和扩容指数描述围压对岩石峰后强度、模量退化和剪胀的影响,建立了考虑围压影响的岩石弹脆塑力学模型。通过Hoek-Brown和Mohr-Column准则之间参数的转换关系,给出了模型峰后力学参数的确定方法。在FLAC软件下,利用Fish函数方法实现了建立的弹脆塑性力学模型。在数值算例中,利用本文模型分析了不同围压下岩石的峰后力学特性劣化和剪胀扩容特征,结果表明本文模型不仅能较好地模拟岩石峰前、峰后全程变形发展过程,而且能较好地考虑围压对岩石峰后力学特性的影响。

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。

物理细胞自动机与岩石弹-脆-塑性性质的细观机制研究

基于能量守恒定律和岩石的基本力学性质,进一步发展了由作者提出的一种用于模拟岩石非线性破坏演化的新方法—物理细胞自动机(PCA)模型。该模型通过岩石内部(或细观)基元(或细胞)间简单的随机相互作用的综合结果来反映岩石系统整体的稳定宏观力学现象。利用PCA模型,研究了形成不同岩石本构关系的本质影响因素,揭示了岩石弹-脆-塑性性质的细观机制,为进一步认知岩石等非均质材料的力学性质提供了一种新的理论方法。同时,其研究思路和结论也可为微观和细观力学的数值模拟方法及新型复合材料的设计提供重要的借鉴。

脆弹粘性岩体高边坡稳定的损伤断裂力学机制研究

边坡工程岩体的力学性态与其所处的应力环境、物理环境以及开挖施工卸荷坡邦岩体变形的时空效应等许多因素密切相关．因而，似本文研讨的闪云斜长花岗岩这类脆弹粘性岩体高边坡工程坡邦卸荷带岩体的稳定问题，从损伤、断裂力学的观点言，本质上反映了三方面的力学机制，即：（１）边坡分部开挖引起坡邦岩体的卸荷损伤、断裂效应；（２）二次应力场作用下坡邦岩体产生的损伤、断裂时效变形与蠕变扩容；以及（３）在高地应力区，脆弹粘性岩体因开挖导致与其应变能骤然急剧释放有关的地动力作用．本文结合长江三峡高边坡船闸工程的岩体稳定问题，拟就上述的前两个方面的研究工作进展作一简要论述．

围岩塑性区不同弹性应变对隧道位移的影响

为了研究围岩塑性区不同弹性应变对隧道位移的影响,基于弹脆塑性模型和统一强度理论,采用两种情况下塑性区弹性应变推导了围岩弹性区、塑性区的应力和位移以及塑性区半径,并以硬岩和软岩为例分析了不同弹性应变下的脆性软化和剪胀特性参数对隧道洞壁径向位移的影响。研究结果表明:在塑性区弹性应变为常数(即情况1)和塑性区弹性应变采用广义胡克定律确定(即情况2)时,洞壁处径向位移均随残余黏聚力的增大而减小,并且情况2求得的洞壁处径向位移均大于情况1;在情况1和情况2两种情况下时,洞壁处径向位移随剪胀特性参数的增大而线性增大,并且两种情况下洞壁处径向位移和剪胀特性参数变化曲线几乎平行。