横观各向同性岩体内时损伤本构模型研究

层状岩体一般视作横观各向同性体,其力学特性在不同的层面倾角下存在较大的差异。为了解决这一问题并研究层面倾角与力学特性之间的内在联系,引入横观各向同性体体积模量和剪切模量与层面倾角的函数关系式。从内时理论出发,通过内蕴时间的重新构造,在Helmholtz自由能中引入损伤变量,利用不可逆热力学的基本原理推导出横观各向同性岩体的内时损伤本构方程,并给出确定本构模型中各参数的方法。对该方程在单轴应力条件下进行求解、分析与验证。研究结果表明:该本构方程能很好地描述横观各向同性岩体在损伤发生前后的变形特点,并能有效地反映横观各向同性岩体的非线性和剪胀扩容等物理力学现象。

无限域横观各向同性岩体介质中折线裂纹边界元方法

岩体材料的各向异性导致其中的光滑裂纹在扩展后会变为折线裂纹。对于折线裂纹,其折线处裂纹面外法线方向不惟一,不能用连续单元离散。为此,在光滑裂纹问题方法的基础上,引入4种新的不连续单元来离散折线处裂纹面,建立了适用于折线裂纹问题的对偶边界元方法,该方法基于横观各向同性基本解。算例验证表明,该方法具有较好的精度。最后用该方法分析了横观各向同性岩体中的折线裂纹,得到了该类裂纹的应力强度因子。当裂纹面上作用法向均布力,横观各向同性岩体介质中的矩形光滑裂纹发生弯折时,折线两侧的裂纹面在张开时存在抑制效应,从而导致折线裂纹裂尖应力强度因子小于原光滑裂纹。同时还发现,随裂纹面的逐渐弯折,其裂纹面对各向同性面的倾角发生变化,因此,其裂尖断裂特性还受到岩体各向异性的影响。

横观各向同性岩体孔径变形法的三维地应力分析计算

根据各向异性弹性理论的复变函数方法 ,导出了远处加载时横观各向同性岩体孔周径向位移的理论公式 ,结合孔径变形法地应力量测特点 ,建立了横观各向同性岩体三维地应力计算理论 ,并开发了相应的计算分析软件 。

横观各向同性岩体中复杂地应力反演参数敏感度分析

为了分析复杂地应力情况下横观各向同性岩体参数对地应力反演结果的影响程度,假定岩体参数在±50%的波动范围内变化并进行数值模拟,观察反演结果的变化情况。结果表明,已知参数波动越大,反演结果失真程度越高,呈现线性相关性。各向同性面内的弹性模量E的精确度对反演结果影响最大,垂直各向同性面方向的泊松比μ'次之,各向同性面内的泊松比μ再次之,垂直各向同性面方向的弹性模量E'对反演结果影响较小。

横观各向同性岩体地应力计算中岩层倾角的影响

三维地应力是地下工程结构设计、施工中的重要参数,套孔应力解除法是当今最为常用的地应力测量方法,然而它却无法考虑岩层倾角的影响,工程应用中采用的忽略或修正的处理方法必将造成较大的误差。文章根据有限单元法的计算原理,针对横观各向同性岩体,开展了岩层倾角从0°至90°变化时地应力的求解研究,以用于对横观各向同性岩体隧道工程中测得的地应力值作适当调整。研究结果表明:岩层倾角主要对垂直于钻孔平面内的正应力影响较大,其变化趋势是先增大后减小;岩层倾角为45°时影响最为明显,第一主应力误差为19.00%,第二主应力误差为10.86%,第三主应力误差为88.98%。

横观各向同性饱和半空间体上圆薄板的非轴对称振动

研究了横观各向同性饱和半空间地基上弹性圆板的非轴对称振动问题。首先利用Fou rier展开和Hankel变换 ,给出了柱坐标下 ,横观各向同性饱和多孔介质Biot波动方程非轴对称形式的通解 ,然后按混合边值问题建立了饱和半空间地基上 ,弹性圆板非轴对称振动的对偶积分方程 ,并将对偶积分方程化为易于数值计算的第二类Fredholm积分方程 。

横观各向同性岩体平直−光滑节理双模型细观参数联合标定方法

为更真实地模拟节理岩体的力学行为,颗粒流程序(PFC)采用平直节理模型(FJM)和光滑节理模型(SJM)分别模拟横观各向同性岩体的岩石部分和节理部分。但双模型(FJM和SJM)标定涉及的细观参数多,导致宏观−细观参数对应关系复杂。为此,本文提出一种横观各向同性岩体双模型细观参数联合标定方法。首先,遴选核心细观参数,建立岩体参数标定指标体系,对指标体系中的宏观−细观参数进行了敏感性分析,得到显著影响各宏观参数的细观参数;然后,提出FJM和SJM细观参数标定优先级体系,构建双模型细观参数联合分析方法,建立表征宏细观参数之间的函数关系;第三,为提高参数标定的准确性,提出了细观参数迭代校准方法;最后,形成了一套针对横观各向同性岩体的标准化细观参数标定流程。研究结果表明:所提标定方法可应用于页岩的细观参数标定,标定结果的相对误差小于3%,验证了该方法的有效性。

非圆形水工衬砌隧洞与横观各向同性岩体在光滑接触下的解析分析

提出了横观各向同性岩体中的非圆形水工衬砌隧洞在各向同性衬砌与岩体处于光滑接触条件下的解析方法.基于复变函数理论,通过建立两种介质在光滑接触边界上的力和位移连续关系以及衬砌自由边界的水压力边界条件,考虑衬砌支护滞后效应并使用幂级数解法获得解析解.针对倾斜结构面岩体中的马蹄形水工衬砌隧洞,使用解析和数值方法验证了解析解的正确性,获得了岩体各向异性和不同洞内水压力对衬砌和围岩接触边界,以及衬砌自由边界上应力和位移分布的影响规律.

横观各向同性岩体岩层走向与钻孔不同夹角地应力计算的误差分析

地应力是赋存于地壳岩土体中未受到工程扰动的天然应力，又称为原岩应力，其成因及其影响因素非常复杂，主要与历史上地球的各种构造运动有关。而准确的地应力测量计算及分析，对于工程结构稳定性设计及施工稳定和安全性分析极其重要。目前，三维地应力求解仍是基于“均质、连续、各向同性、线弹性”的理想岩性假设，而对于自然界普遍存在的非理想岩体，此种分析将产生较大误差。本文根据有限元原理分析了横观各向同性岩体岩层走向与钻孔夹角对于地应力计算造成的误差，岩层走向与钻孔夹角的变化对第三主应力大小影响最为明显，其中当倾角为90°时，误差最大（σ1大小误差为2．68％，σ2大小误差为1．44％，σs大小误差为94．91％），其次对第一主应力方位角与第三主应力倾角影响也较为明显。

横观各向同性弹性半空间非轴对称问题解析解

基于地基土存在着固有各向异性和诱发各向异性 ,本文采用横观各向同性弹性体模型模拟地基半空间 ,将Love位移函数推广到半空间 ,得到位移与位移函数之间的关系 ;然后经过Hankel变换得到非轴对称问题位移、应力的一般解。本文的一般解经过退化 ,得到的轴对称弹性半空间解与经典解吻合。

惯性熵理论在横观各向同性圆柱壳中的应用

在横观各项同性圆柱壳热弹耦合的自由振动问题中应用惯性熵理论,引入3个位移函数将自由振动问题的方程简化为4个二阶常微分方程,用含复宗量的修正贝塞尔函数解得到位移、温度和应力的表达式.结合圆柱壳内外表面自由的边界条件,得到圆柱壳自由振动频率方程.选用锌作为介质,通过数值计算圆柱壳无量纲最低阶频率发现:中径与长度之比较大的圆柱壳中,其厚度的变化对自由振动最低阶频率的影响较大;轴向半波数较大的模态下,圆柱壳厚度对最低阶频率的影响相对较大;圆柱壳壁越薄,周向波数的影响越大;最低阶频率会随着周向波数的增大先减小而后增大;周向波数的增大会将圆柱壳厚度对频率的影响放大.研究表明,惯性熵理论可更方便用来解决热弹耦合动力问题.

群桩基础的复合体模型建立与应用

在进行建筑物的上下部共同作用研究中,有限元法是一种非常重要的分析手段,但由于需要离散的区域很大,将桩和土体分别划分单元,所需要的单元数量巨大,常常会因受到计算机软件或硬件的限制,分析难以进行。本文按照复合材料力学的处理方法将群桩基础中桩—土体系作等效连续化处理,视为横观各向同性体,建立了桩土等效复合体的本构关系;按“分离模式”和“复合模式”两种情况进行了有限元对比分析,结果表明,等效复合体模型很好地反映出群桩基础的传力机理,对大型群桩基础进行等效连续化处理是完全可行的。采用本文建立的等效复合体模型,可大幅度减少下部基础单元的数量,提高了用有限元法研究建筑物的上下部共同作用的可操作性。

横观各向同性岩体中任意形状巷道的位移解析解

在采矿工程中遇到大量的层状岩体稳定性问题。对于层状岩体,在力学上可将其处理成横观各向同性体。根据横观各向同性弹性力学的平衡方程、物理方程和几何方程,推导了横观各向同性平面应变问题的相容方程;根据应力函数的复变函数表示,推导了横观各向同性平面应变问题中位移分量的复变函数表示;利用保角映射,推导了横观各向同性岩体中任意形状巷道的位移解析解。虽然在推导中假设巷道横断面平行于各向同性面,但位移解析解表明,围岩径向位移不仅与各向同性面上的弹性模量和泊松比有关,而且与垂直各向同性面方向的弹性模量和泊松比有关。

移动荷载下加筋道路系统的动力响应

将加筋道路的面层简化为弹性梁，加筋地基作为横观各向同性体，同时考虑了下卧土层孔隙水的影响，用半解析法对在匀速移动条形线荷载作用下的加筋道路体系的动力响应问题进行了研究．由忽略土粒压缩和土体自重的Biot波动方程出发，对荷载进行Fourier级数展开，假设了响应函数的级数形式，结合边界条件，由待定系数法求解了考虑固液耦合作用的加筋道路在移动荷载作用下的土体位移、有效应力及孔压表达式．求解过程中考虑了面层和加筋地基之间的相互作用，并假设两者在接触面处竖向位移相等．通过计算，分析了加筋率、筋材模量、荷载移动速度等对路面竖向位移的影响．数值分析结果表明，当加筋率在0．010～0．022时，对加筋效果的影响较大;加筋道路路面竖向位移随着荷载移动速度的增大而增大，达到峰值后迅速减小．

薄层单元基本假设和简化探讨

对薄层单元的基本假设和简化进行了探讨并得到如下结论:薄层单元的本构方程可通过横现各向同性体本构方程采用合理简化得到;薄层单元受拉开裂的本构关系可采用分布裂缝模型模拟开裂简化得到;薄层单元采用的基本假设能在一定程度上保证计算精度及简化计算.

多元复合地基的等效本构模型及三维地震响应研究

按照复合材料力学的处理方法将多元复合地基的桩-土体系作等效连续化处理,将其视为横观各向同性体,首次建立了多元复合地基桩土等效复合体的本构关系;基于大型有限元软件ABAQUS操作平台,采用有限元、无限元耦合的方法研究了多元复合地基的三维地震响应,结果表明:(1)等效复合体模型能很好地反映出多元复合地基的传力机理.(2)天然地基、多元复合地基和基础在地表的加速度傅氏谱均呈多峰型,对输入地震波均有滤波作用,且多元复合地基和基础的滤波作用更为显著.(3)褥垫层、筏板的增加能有效抑制地表加速度响应,但并非越厚越好,还要考虑建造的经济性.计算结果可为工程抗震设计提供参考.

复合地基细观力学性能

复合地基由岩体(土体)和增强体(桩体)两种不同材料复合而成,其基本力学性能包括微观力学性能和宏观力学性能。目前复合地基的研究主要集中在将基体和增强体分开进行研究与宏观力学性能研究等方面。从细观力学角度出发,将基体和增强统一作为横观各向同性体,研究复合地基的局部力学性能,得到了复合地基弹性应力应变场解和相应的弹性参数。

土方夯实动力响应的精确解

将半无限弹性介质的位移分量写为分离变量的形式,利用三维弹性动力学的基本原理,研究了横观各向同性半无限弹性介质的动力响应,给出了问题的解析解形式;视软土为横观各向同性均匀弹性体,用间歇振动模拟冲击夯实荷载的情况,可得出夯板以下土体介质的动力响应的精确解,该方法可解决土木工程软土地基的土方回填夯实问题;给出了上述问题算例的计算结果。

层状岩体中巷道底板应力分布规律及损伤破坏特征

为了研究开挖巷道后层状岩体中底板的卸荷力学响应,将底板视作横观各向同性体,采用力学分析和数值模拟相结合的方法,对底板应力分布规律与损伤破坏特征进行研究.结果表明:1)与均质各向同性解相比,横观各向同性解更客观地反映出巷道开挖后底板出现卸荷且两侧围岩呈应力集中的应力分布状态;2)底板应力分布随垂直和水平方向力学属性的不同而呈现出差异性;3)底板层状复合结构造成应力发生畸变,软弱岩层的柔性缓冲垫层作用使应力传递变得更为平缓;4)底板岩体达到损伤阈值即发生张拉或者滑移破坏,损伤阈值受垂直卸荷系数、水平卸荷系数、侧压系数、裂隙面倾角等多个因素综合影响.理论和数值计算获得的底板损伤破坏深度及损伤区分布特征基本一致,解析解很好地反映了底板的实际应力状态.