节理岩体的损伤模型及非线性有限元分析

本文简要介绍了损伤力学的发展.将损伤力学理论应用于节理岩体中,采用一个对称的二阶张量描述岩体内节理、裂隙引起的各向异性损伤.根据岩体内裂隙的概率统计模型,提出了一种计算节理岩体初始损伤张量的方法.在岩体的强度预测中,采用损伤力学和裂隙模拟两种分析方法,根据某工程的裂隙实测资料计算了岩体的初始损伤张量,建立了裂隙的概率统计模型,采用Monte-Carlo法模拟裂隙的分布,然后用平面非线性有限元计算预测岩体强度.两种分析结果进行对比,得到了较好的结论.     

裂隙岩体的损伤断裂理论与应用

本文将损伤力学和断裂力学结合起来,分析岩体中裂隙系统的损伤和断裂特性。定义了岩体宏观损伤张量和岩体损伤应变。建立了岩体的等效连续损伤断裂本构模型。讨论了在压应力作用下的裂隙闭合效应。提出了裂隙岩体损伤断裂复合强度理论。利用损伤断裂模型对一地下洞室的分步开挖进行了数值模拟分析,获得了与现场实测数据比较吻合的结果。     

多裂隙岩体的损伤断裂分析及工程应用

本文通过对裂隙岩体内的应力、应变的体积平均,提出了适合于多裂隙岩体特性的等效连续模型。综合运用损伤力学和断裂力学理论,定义了岩体损伤张量、有效应力张量、损伤应变等;建立了损伤演化方程和多裂隙岩体的本构关系。利用所建立的模型,对一座水电站地下厂房的分步开挖进行了数值模拟。     

多裂隙岩体三维加锚损伤断裂模型及其数值模拟与工程应用研究

 博士学位论文摘要　利用断裂力学理论、损伤力学理论和三维非线性有限元数值分析方法系统研究了断续多裂隙岩体的力学变形特性、强度特性和空间损伤岩锚支护效应。(1) 根据断续节理面几何特征的概率统计模型, 推导出了节理面主要几何特征参数的数学计算表达式, 为正确分析裂隙岩体的力学变形特性提供了重要的节理面几何特征参数保证。(2) 根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量转换与能量变化, 建立了多裂隙岩体的能量损伤演化方程。(3) 根据脆性岩体的损伤变形机制, 建立了脆性岩体在初始损伤和损伤演化状态下的三维脆弹性损伤断裂本构关系。(4) 考虑多裂隙岩体的损伤变形机制, 通过引入有效应力反映损伤与塑性变形的耦合效应, 并根据能量损伤演化方程、不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。(5) 根据锚杆、锚索对裂隙岩体的支护、加固作用机理, 建立了多裂隙岩体锚杆支护的空间损伤岩锚单元支护模型和锚索加固的空间加索损伤岩体联合作用模型。(6) 根据脆性岩体的断裂破坏机制, 建立了脆性裂隙岩体的起裂准则和初裂强度计算公式, 并推导出了成组有序分布的平面裂隙岩体和三维币状裂隙岩体的脆性断裂破坏强度计算公式。(7) 将上述损伤断裂本构模型和岩锚支护、加固作用模型编制成三维非线性有限元计算程序, 应用于三峡船闸高边坡开挖卸荷稳定分析, 获得了较为满意的计算结果, 验证了模型的有效性和正确性。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

裂隙化岩体应变软化损伤本构模型探讨

首先,针对基于Lemaitre应变等价性假说之岩石损伤模型的局限性与不足,在深入探讨裂隙化岩体变形损伤机制的基础上,考虑裂隙化岩体受载后体积发生变化的影响,采用空隙率反映裂隙化岩体变形过程中的空隙或岩体体积变化,并通过裂隙化岩体微观受力分析,建立裂隙化岩体损伤模型;然后,通过深入研究裂隙化岩体有效应力与宏观名义应力的关系,并引进统计损伤理论,建立裂隙化岩体应变软化损伤统计本构模型,同时提出其参数确定方法,该模型能够充分反映裂隙化岩体的应变软化特性,尤其是能较好地模拟裂隙化岩体变形初期空隙的压密阶段,同时,模型参数确定无需通过非常规岩石力学试验,且参数物理意义明确,应用将较为方便;最后,通过与前人研究成果和实测结果的比较分析,表明该模型的合理性与可行性。     

巷道裂隙岩体的损伤参数辨识

基于位移反分析理论及几何损伤理论 ,对巷道裂隙岩体的损伤参数进行了辨识。根据岩体中裂隙组数的不同 ,对于含一组裂隙、两组裂隙及多组裂隙情况下损伤参数辨识可靠性问题进行了分析 ,给出了精确辨识的参数组合。针对初值选取对某些参数的辨识精度影响较大的特点 ,采用蒙特卡罗优化法进行初值的优选 ,计算结果显示 ,优选初值下的辨识可靠性有很大提高     

裂隙岩体渗流场-损伤场耦合理论研究及工程应用

以岩体结构控制论为基础,把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面,对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究,具体工作有以下几个方面 　　(1)从地质学、岩体力学、统计学的角度出发,定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。 　　(2)基于Betti能量互易定理,系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制,建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子,增加岩体的柔度,降低岩体强度,对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。 　　(3)从岩体裂隙变形角度出发,建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程,从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形,提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。 　　(4)以岩体结构力学为基础,根据裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比,克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。 　　(5)针对岩土工程中大小裂隙共存的特点,建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。 　　(6)将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中,计算结果表明,该模型具有较好的实用性与可靠性。     

裂隙岩体损伤局部化分析

裂隙岩体损伤局部化与裂隙扩展状态密切相关,裂隙扩展到一定长度后裂隙的扩展状态发生分叉,一部分裂隙继续扩展,另一部分裂隙停止扩展。裂隙岩体损伤局部化是由裂隙扩展状态分叉产生的,损伤局部化起始位置也取决于裂隙扩展状态。通过对多裂隙扩展状态的分叉分析,得到了含矩形分布裂隙岩体损伤局部化弯折裂纹临界扩展长度及临界应力。根据系数矩阵的特征值与特征向量,确定了裂隙岩体损伤局部化的位置,而且考虑了裂隙之间的相互作用。最后,通过算例分析得到了裂隙岩体损伤局部化临界应力与裂隙列间距、行间距、围压和原生裂隙倾角的关系。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

Seepage–stress coupled analysis on anisotropic characteristics of the fractured rock mass around roadway

Anisotropic properties of the fractured rock masses are investigated considering the coupled effect of the seepage and stress. The equivalent permeability and damage tensor of the fractured rock mass are initially examined using a series of Discrete-Fracture-Network (DFN) models with varied size and orientations from the geological investigation data of the sandstone roadway on the floor of 12# coal seam in Fangezhuang Coal Mine. A seepage–stress cross-coupling anisotropic model considering the coupled effect of the seepage and stress is described and applied to analyze the influence of the principal orientations of the joint sets on the anisotropic properties of the rock mass. It appears that the anisotropic properties of the rock mass have a great influence on the stress distribution, hydraulic conductivity coefficient and damage zone. The model may contribute to a more reasonable explanation on the dominant effect of the joint sets on deformation and failure of rock mass.     

大理岩高温后力学性质研究

温度作用下的裂隙岩体是高放射性核废物的地层深埋处置、地热资源开发以及大都市圈的大深度地下空间开发利用等工程中经常遇到的一类复杂岩体.从加热后裂隙岩体的损伤机理研究入手,通过对不同温度应力作用后大理岩进行单轴压缩试验,得到了各温度下大理岩全应力-应变曲线,并分析了大理岩抗压强度、弹性模量和峰值应变等随加温温度变化的关系及...     

基于有限元方法的裂隙岩体等效强度参数研究

 利用等效连续介质力学方法分析裂隙岩体中工程稳定性时,选择合理的裂隙岩体等效强度参数是取得可靠分析结论的前提。依据建立的裂隙岩体网格,结合岩石统计损伤模型和结构面损伤模型,通过有限元数值方法研究裂隙岩体加载中的渐进破坏过程,以及裂隙岩体等效抗压强度的尺寸效应和各向异性。分析结果表明,从岩块到岩体,岩体等效抗压强度很快降低至稳定幅度,岩体抗压强度的各向异性也不显著。最后,对10 m尺寸的岩体进行不同围压下抗压强度的数值分析,得到裂隙岩体的强度参数,并和Hoek-Brown经验准则进行对比。文中的分析方法对于工程裂隙岩体的宏观参数取值具有参考价值。     

能量耗散弹性损伤本构方程及其在围岩稳定分析中的应用

在内变量不可逆热力学的理论框架下，应用能量耗散的基本原理，求解弹性损伤的等效应变和损伤演化方程，建立损伤屈服准则。应用考虑能量耗散的本构方程，求解大型地下洞室围岩稳定问题，从分析结果能够给出洞室围岩损伤演化区的范围和损伤值的大小，进而判断洞室围岩何处发生损伤和断裂。认为损伤值等于1．0时，材料发生完全断裂，此时材料的破坏分析应借助宏观断裂力学的手段来进行。因此，该法为工程分析提供了细观上的理论依据，同时也为宏观分析提供了手段。     

裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究

 岩体中裂隙展布的多样性和随机性是裂隙岩体工程特性研究的关键问题。考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性,利用Monte Carlo模拟技术,编制裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D。利用RFNM,不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的虚拟裂隙网络岩体,还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化,从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。因此,RFNM生成的裂隙网络岩体实际上是一种数字随机裂隙岩体模型。基于渗流力学理论,应用有限元方法编制软件GeoCAAS,研究裂隙岩体的水力学特性,探讨裂隙几何形态对渗流性状的影响。     

考虑渗流特性的岩体结构面分形特性研究

 裂隙的连通性和密度是影响岩体渗流特性的重要因素。从岩体渗流研究的需要出发,对计算机模拟的岩体裂隙网络,应用分形几何理论,提出考虑裂隙连通性和密度影响的岩体结构面信息维数的计算方法,建立信息维数与岩体渗透系数的关系,进而可以用信息维数和岩体结构面几何参数来直接推求各向异性裂隙岩体的渗透系数张量。工程算例表明：(1) 考虑渗流应力耦合作用时,用容量维数计算的渗透系数比用信息维数计算的值高出2倍多,说明用容量维数计算岩体渗透系数会夸大裂隙岩体的渗透能力;(2) 信息维数能较好地反映裂隙密度对渗流的影响。信息维数越大,表明岩体内连通裂隙数量越多,因而岩体的渗透性就更大一些。