考虑损伤渗流边坡稳定性数值离心加载法分析

为分析损伤-渗流耦合作用下边坡工程的稳定性,建立了基于Mohr-Coulomb准则的岩石弹塑性损伤-渗流耦合模型。从主应力空间的角度出发推导了损伤作用下Mohr-Coulomb准则的应力回映算法,解决了数值实施过程中应力更新的“奇异点问题”;基于分布迭代法编制了岩石弹塑性损伤-渗流耦合有限元计算程序。将离心加载法与所编程序结合,求解了多场耦合作用下的边坡安全系数,再现了边坡渐进破坏过程中损伤场演化规律,证明了所建数值模型能够较好的描述应力、渗流和损伤作用下,岩石材料的宏观破坏现象。最后对实际边坡工程进行了数值模拟,计算结果为工程安全性评价提供了参考。     

基于相场方法的岩石弹塑性损伤模型研究及其数值实现

岩石材料损伤破坏的研究对岩体工程的稳定性评价至关重要,基于热力学原理,在经典相场损伤模型框架中引入塑性本构模型和硬化准则,借助塑性耗散能驱动下的塑性硬化阶段和峰后软化阶段损伤演化方程,建立一种岩石弹塑性相场损伤模型,并给出其数值实现。通过对比相场损伤均质响应模拟结果和解析解,验证塑性损伤耦合条件下该模型的正确性和可靠性。采用该模型,模拟岩石二维和三维复杂裂纹扩展,研究含预制裂纹岩石试样的塑性剪切损伤破坏过程,计算结果与已有试验结果吻合较好。该模型能自动、准确地跟踪岩石复杂裂纹扩展路径,有效描述岩石的损伤演化规律以及塑性变形与非局部相场损伤之间的耦合效应,可进一步应用到模拟实际工程岩石损伤破坏及稳定性问题。     

Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究.结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:博士学位论文(1) 建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序.(2) 基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序.(3) 针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数.(4) 在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数.(5) 根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20 a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数.(6) 在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性.     

考虑空隙压密特征的岩石弹塑性损伤增量本构模型

岩石的变形破坏全过程包括压密–弹性–塑性–损伤多个阶段,现有的基于经典弹塑性理论与损伤力学同时考虑岩石压密变形机制的本构模型研究较少。将岩石抽象为岩石骨架与岩石空隙2部分,依据空隙变形机制计算非线性压密变形,基于Drucker-Prager准则分析塑性变形特性,采用体积变形描述损伤演化规律,在经典弹塑性损伤理论框架下建立岩石压密–弹塑性损伤增量型本构模型及其积分算法。将岩石总变形视为压密、弹性与塑性3个部分,考虑空隙部分无法承受剪力且各方向变形无相互影响的特征,通过应力、应变张量谱分解在主应力方向上计算总应变。数值积分方法为基于Drucker-Prager准则的主应力方向回映算法,采用压密弹性预测方法计算预测应力,以分析迭代步中压密应变增量对总应变增量的影响。压密–弹塑性损伤本构模型与算法充分考虑空隙非线性变形机制与压密变形特性,共涉及压密、弹性、塑性、损伤4类10个参数,适用于长期服役过程中外部环境作用下空隙占比逐渐增加,骨架强度逐渐减小的工程岩体。应用模型研究干湿、冻融循环2种典型外部环境对岩石特性的影响,结果表明模型能够很好地模拟外部作用后工程岩体变形破坏的全过程,具有一定的理论...     

硬岩CWFS模型的改进及其在岩质高边坡稳定性分析中的应用

连续介质模型(如Mohr-Coulomb等基于黏结强度组份和摩擦强度组份同时被调动的传统破坏准则)目前还不能有效预测隧道围岩脆性破坏的广度和深度。基于Mohr-Coulomb准则的黏结强度弱化–摩擦强度强化(CWFS)模型在这方面表现出良好的工程应用前景,但其在脆性硬岩高陡边坡稳定性分析中的应用研究还不多见。对硬岩的CWFS模型及其改进模型进行讨论分析,针对脆性硬岩在低围压条件下的特殊力学行为,将CWFS模型改进为黏结强度衰减–摩擦强度激活(CLFM)模型并应用到首钢水厂铁矿硬岩高陡边坡稳定性分析中。与Mohr-Coulomb准则计算结果的对比分析表明,扩帮后的边坡仍然处于稳定状态。Mohr-Coulomb准则低估了边坡的位移和坡脚的塑性区范围,高估了边坡的应力水平,与CLFM模型分析结果相比显得保守。另外,实测地应力场下的边坡位移计算结果是仅以自重应力形成的应力场下的位移计算结果的10倍左右。     

基于广义Hoek-Brown准则的边坡稳定性强度折减法数值分析

Hoek-Brown屈服准则作为估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则,已成为岩体强度预测及计算领域应用最广泛的准则之一,并在边坡极限平衡法计算中得到了广泛应用,但很少应用于数值模拟计算领域。本文结合工程实例,以广义Hoek-Brown屈服准则建立数值计算模型,并基于强度折减方法计算边坡安全系数,经与等效Mohr-Coulomb屈服准则数值模拟及极限平衡计算对比,得出基于Hoek-Brown屈服准则的模拟计算结果与其它方法一致并且正确的结论。并认为不同屈服准则条件下的边坡潜在滑移面位置及变形特点存在差异,原因在于不同的屈服准则采用了不同的流动法则。与Mohr-Coulomb屈服准则相比,Hoek-Brown屈服准则采用基于应力水平的塑性流动法则更加体现了节理岩体的变形和破坏特点,可有效反映岩体的非线性破坏特征,更加接近工程实际,适于节理岩体的强度计算及稳定性分析。     

采动覆岩渐进破坏的连续–离散耦合模拟研究EI北大核心CSCD

采动覆岩破裂演化数值结果准确性的关键在于建立岩体渐进破坏本构与连续–离散模拟方法。构建偏应力、球应力为基本变量的屈服函数、塑性势函数,结合广义胡克定律得到完整岩块的弹塑性本构;引入弹塑性损伤理论,以平方拉剪应力准则为初始损伤判据,结合Benzeggagh-Kenane断裂准则,得到拉剪混合型断裂本构;构建离散块体挤压本构,基于直剪实验数据修正Sargin粗糙结构面剪切摩擦本构。编制反映岩石渐进破坏的连续–离散耦合模拟计算程序,在验证本构模型的基础上,根据同煤工程地质条件建立数值计算模型。结果表明:(1)岩石渐进破坏本构方程及相应的连续–离散耦合模拟方法,可数值实现岩石从连续体到离散体的转变过程;(2)多煤层重复开采扰动下,石炭系煤层覆岩裂隙分布复杂,其高度约为采高的21倍,远超经验公式所得结果;(3)模拟条件下,在侏罗系煤柱集中应力和采动应力耦合作用下,石炭系工作面超前支承压力峰值达到42 MPa,较无煤柱区域提高8~10 MPa,矿压显现强烈。上述成果在大同矿区得到初步应用,为进一步开展保水采煤、压裂卸压等提供理论支撑。     

渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究

基于连续介质大变形理论和损伤力学理论,将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到Mohr-Coulomb准则,建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏土岩核废料库工程为背景,在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上,建立反映施工质量的等代层模型,对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算结果表明,围岩变形在开挖面附近达到最大值,施工质量对围岩稳定性有明显的影响,施工质量越差,开挖扰动区的范围就越大,并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。     

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型

 为模拟边坡在库水涨落和降雨作用下的渐进破坏过程,发展基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型。它分为固体计算模型、孔隙渗流应力耦合模型和裂隙渗流应力耦合模型3个部分。固体计算模型能够反映地质体的破坏规律,可以模拟从连续到非连续的破坏过程;孔隙渗流应力耦合模型可以方便地计算出自由水位线(浸润线)的位置;裂隙渗流应力耦合模型可以避免由于不连通裂隙(孤立裂隙)存在所导致的收敛性问题;假设只考虑库水涨落和降雨的最终状态,裂隙渗流产生的水头分布和由库水涨落所引起的水头改变作为孔隙渗流的变边界条件,从而实现孔隙渗流场和裂隙渗流场的耦合。典型算例计算结果表明,基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型对于库区古滑坡的研究是很有效的。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)地震荷载作用下顺层岩体边坡动力放大效应和破坏机制的振动台试验研究;(2)温度–应力–渗流耦合条件下红砂岩渗流特性试验研究;(3)基于CRITIC-XGB算法的岩爆倾向等级预测模型;(4)岩石有效热导率精准测量及表征模型研究进展;(5)加锚岩体侧向冲击载荷下动力响应规律研究;     

考虑孔隙水压力的岩石统计损伤本构模型研究

在损伤力学理论基础上,通过有效应力原理引入孔隙水压力,结合应变等价性假说建立应力渗流耦合作用下有效应力的表达式,并假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,构建考虑孔隙水压力的岩石统计损伤本构模型。通过试验曲线和理论曲线的对比发现该模型能较好地反映岩石在应力渗流耦合作用下应力–应变过程,表明所建模型的合理性。在此基础上,探讨孔隙水压力和模型参数、损伤特性的关系规律,对应力渗流耦合作用下岩石工程的安全性分析有较好的参考价值。     

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。     

降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏研究

膨胀变形是膨胀土边坡失稳破坏的重要因素之一,研究分析降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏过程具有重要的实践意义。基于膨胀应变与基质吸力增量的线性关系,将膨胀性引入非饱和流固耦合模型当中,建立一种适用于膨胀土工程的非饱和渗流场–应力场–膨胀应变场多场耦合数值计算方法。结合应变软化模型,分析单次降雨诱发下膨胀土边坡入渗过程以及边坡渐进破坏全过程。结果表明,非饱和膨胀土边坡在单次降雨诱发后,坡体发生以坡脚为起始逐渐向坡顶扩展的破坏,具有明显的时间延后性、多层逐级后退式的特点。膨胀土的膨胀性、强度参数对坡体破坏形式具有显著的影响,膨胀土边坡破坏既保留了一般黏性土的共性也呈现出干缩湿胀的特殊性。     

地震荷载作用下坝及其岩基的脆性动力损伤分析

将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入Mohr-Coulomb破坏准则，对岩石类的脆性材料建立了一种动力损伤破坏的模型，并应用该模型对地震荷载作用下的坝和岩基的破坏过程进行了脆性动力损伤分析。这种方法从连续损伤力学的观点研究了岩体结构在动力荷载作用下脆性损伤．破坏的突变机理。结果表明，损伤会在坝与岩基的上游坡的结合处由于应力集中而明显地增长。在硬岩基上的坝内，损伤发展比软岩基上灵敏。     

考虑循环爆破效应的Hoek-Brown弹塑性损伤模型及其工程应用

针对钻爆法开挖隧道围岩损伤区数值计算方法的不足,建立考虑循环爆破效应的Hoek-Brown(以下称H-B)弹塑性损伤模型并给出数值解法。首先,根据疲劳损伤理论推导了中远场循环爆破累积损伤演化公式,将爆破损伤与应力重分布造成的塑性损伤进行耦合,建立基于广义H-B准则的岩石弹塑性损伤模型;其次,利用完全隐式的应力回映算法和算子分离法给出上述损伤模型的数值解法;最后,将该模型应用于大连地铁工程的围岩稳定性分析当中,通过现场声波测试验证了循环爆破累积损伤演化公式,并对研究断面的位移值和损伤区分布特性进行计算。结果表明:循环爆破累积损伤演化公式能够较好的表达循环爆破作用下岩体损伤的演化规律,同时所建弹塑性损伤模型可以反映不同爆破次数下围岩损伤区的分布特性,比传统方法更具有优势,对工程安全设计具有较好的指导作用。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析

常规的弹塑性模型由于没有考虑到损伤和塑性的耦合作用，难以模拟破坏时由于内部损伤的累积导致的变形局部化剪切带的形成过程，因而，不能很好地反映实际结构的细观破坏机理。作者采用一种宏细观结合的思路，基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料弹塑性损伤模型，研究均质材料在外部环境作用下由于损伤和塑性的耦合导致的局部化剪切带的形成过程。对基体材料服从Drucke-Prager准则的球形孔洞体胞单元提出了一个塑性损伤屈服面，为了反映岩土材料在拉应力和压应力作用下不同的孔洞形成机理，分别采用了球形拉应力和塑性应变的成核机制来建立孔隙率的演化方程，根据塑性损伤屈服面和孔隙率的演化方程，导出了关联流动法则下的岩土材料塑性损伤本构方程。将笔者提出的岩土材料弹塑性损伤模型，通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软件MRAC中。为了研究塑性和损伤的耦合作用，分别采用Gurson弹塑性损伤模型和Mises弹塑性模型，对Tvergaard关于自由表面有周期性分布微小形状缺陷的半无限大板在平面应变拉伸作用下剪切带的形成进行了数值模拟，计算结果表明弹塑性损伤本构模型在模拟变形局部化方面具有明显的优势。采用作者提出的岩土材料弹塑性损伤模型，对平面应力条件下有一个缺陷单元的均质岩土材料单轴受压试件的局部化剪切破坏进行了数值模拟。     

可视化三轴渗流–应力耦合伺服控制试验系统的研制与应用

在原有的可视化三轴压缩伺服控制试验系统中增加顶部和底部的渗流通道,以实现渗流–应力耦合条件下岩石的可视化三轴压缩试验。为验证该试验系统的可靠性和必要性,对砂岩进行不同渗流状态和不同渗透压差条件下的三轴渗流–应力耦合试验。试验结果表明,当岩石两端都存在水压的条件下,其力学性质会进一步弱化,2种渗流极限状态的试验并不能说明所有渗流–应力耦合条件对岩石力学特性的影响。随着轴向应力的增加,表面径向应变场中大应变数据点逐渐聚集至断裂面附近,出现变形局部化现象。因此,开展复杂渗流–应力耦合作用下岩石力学试验能够更好地研究渗流场对岩石的作用机制。     

考虑张拉–剪切渐进破坏的边坡强度折减法研究

针对边坡渐进破坏过程中局部岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想弹塑性模型,提出一种考虑张拉–剪切渐进破坏的强度折减法。从劣化函数、破坏判据、折减系数、滑动面显示和折减范围等方面对该方法进行研究;以极限塑性应变作为边坡点破坏准则,将破坏点从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体破坏判据;基于弹塑性计算的初应力法,提出一种边坡张拉–剪切全滑动面定量显示指标I_(cs)。结果表明,应变软化模型所得塑性区明显小于理想弹塑性模型,考虑张拉破坏的边坡安全系数偏于危险;I_(cs)指标能同时显示并区分边坡潜在滑动面的张拉与剪切部分。该基于应变软化模型的计算方法进一步完善了边坡稳定性分析的强度折减法理论。