發(fā)布時(shí)間：2018-12-18 11:45

【摘要】：巖體工程大多數(shù)不是賦存于單一的地質(zhì)環(huán)境中,而是處于復(fù)雜的多場(chǎng)環(huán)境下,如：應(yīng)力場(chǎng)(Mechanical)、滲流場(chǎng)(Hydrological)、溫度場(chǎng)(Thermal)以及水化學(xué)場(chǎng)(Chemical),它們之間的相互作用構(gòu)成了國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,即“巖石多場(chǎng)耦合問(wèn)題”。隨著我國(guó)大規(guī)模的巖體工程建設(shè),巖體工程在載荷和水-巖作用下的應(yīng)力-滲流-化學(xué)(MHC)耦合問(wèn)題日趨重要。本文以數(shù)值計(jì)算手段為主,試驗(yàn)手段為輔,以巖石彈塑性損傷MHC耦合問(wèn)題為主要研究?jī)?nèi)容,以程序開發(fā)為線索層層遞進(jìn)最終實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的研究,揭示多場(chǎng)耦合之間的相互作用、破壞機(jī)理為研究目標(biāo),以大連地鐵隧道工程、吉林撫松隧道工程、貴陽(yáng)地鐵隧道工程為背景,從而體現(xiàn)所做研究工作的理論價(jià)值和工程意義。 本文在國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51079010：滲流-應(yīng)力耦合海床基巖開挖損傷機(jī)理和模型研究)和大連海事大學(xué)全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育基金資助項(xiàng)目(No.2013YB03：海水作用下隧道圍巖MHC損傷耦合機(jī)理試驗(yàn)及模型研究)下圍繞“巖石彈塑性損傷MHC耦合問(wèn)題”開展研究,具體將其細(xì)化為5個(gè)子問(wèn)題進(jìn)行研究,巖石超聲損傷、凍脹力及滲透性試驗(yàn),巖石彈塑性軟化、損傷模型建立及數(shù)值算法,巖石彈塑性損傷MH耦合模型及程序?qū)嵤?巖石彈塑性損傷MHC耦合模型及程序?qū)嵤?同時(shí)為了準(zhǔn)確的進(jìn)行計(jì)算,解決復(fù)雜模型中參數(shù)無(wú)法確定的瓶頸,進(jìn)行參數(shù)反演研究。具體開展以下研究工作： (1)巖石壓縮過(guò)程伴隨著巖石微裂紋閉合、萌生、擴(kuò)展和貫通等,宏觀表現(xiàn)為巖石變形、破壞過(guò)程。在此過(guò)程中聲波波速隨著損傷、破壞表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律,運(yùn)用這種變化規(guī)律預(yù)測(cè)巖體工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要的意義。從聲波波速的角度出發(fā),測(cè)試無(wú)受力和受力狀態(tài)下干燥、飽水裂隙片巖的縱波波速,研究飽水天然裂隙片巖的波速特性及壓縮全過(guò)程中波速隨應(yīng)變的變化規(guī)律,波速變化與巖石損傷、破裂之間的內(nèi)在關(guān)系。同時(shí)進(jìn)行受壓飽水裂隙片巖斷裂與損傷分析,基于張開型裂紋推導(dǎo)Drucker-Prager準(zhǔn)則的尖端塑性區(qū)半徑,以此反應(yīng)壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的水壓力對(duì)尖端塑性區(qū)的影響。關(guān)于巖石飽水凍脹力試驗(yàn)裝置、環(huán)向滲流-應(yīng)力耦合巖石滲透性試驗(yàn)裝置還鮮見報(bào)道,為了研究巖石凍脹損傷及環(huán)向滲流-應(yīng)力耦合下滲透性的變化規(guī)律問(wèn)題,自主研制相應(yīng)試驗(yàn)裝置。采用飽水巖石凍脹力試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同凍融溫度、不同巖石含水率、不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下巖石凍脹力測(cè)試試驗(yàn)。采用環(huán)向滲流-應(yīng)力耦合巖石滲透性試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同滲透壓、不同軸壓條件下巖石滲透性試驗(yàn)。 (2)搭建巖石彈塑性損傷MHC耦合程序框架,采用模塊化的思想,分別針對(duì)各部分程序進(jìn)行開發(fā),然后按照一定的規(guī)則相互調(diào)用,以這種方式構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體,為開展巖石多場(chǎng)耦合問(wèn)題提供數(shù)值計(jì)算手段�；趘on Mises本構(gòu)模型、Drucker-Prager本構(gòu)模型的完全隱式返回映射算法(Fully implicit return mapping algorithm)以及相對(duì)應(yīng)的一致切線模量(Consistent tangent modulus),采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?利用C++語(yǔ)言編制相應(yīng)求解程序,作為主控力學(xué)程序基本部分。返回映射算法可避免預(yù)測(cè)應(yīng)力漂移屈服面的現(xiàn)象,對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)變形條件下的本構(gòu)方程可以獲得準(zhǔn)確的解,在迭代中使用Newton-Raphson法可獲得近似平方的收斂速度,具有較高的精確性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明算法的優(yōu)越性、程序的正確性和工程中的實(shí)用性,具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際意義。將巖石彈塑性損傷MHC耦合程序嵌入到差異進(jìn)化算法(Differential evolution algorithm,DE)中,開發(fā)智能反分析程序,對(duì)相關(guān)程序的計(jì)算效率、正確性等進(jìn)行驗(yàn)證,并在實(shí)際工程中應(yīng)用。 (3)巖石的軟化、損傷特性對(duì)滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)有重要影響,在展開巖石彈塑性損傷MHC耦合問(wèn)題研究時(shí),針對(duì)巖石軟化、損傷特性進(jìn)行研究,建立相應(yīng)本構(gòu)模型并開發(fā)求解程序。關(guān)于巖土工程材料應(yīng)變軟化問(wèn)題及有限元對(duì)其數(shù)值計(jì)算時(shí)切線剛度矩陣負(fù)定造成求解困難的問(wèn)題進(jìn)行研究。首先,建立基于Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則的巖石彈塑性應(yīng)變軟化本構(gòu)模型。其次,考慮弧長(zhǎng)法在判斷切線剛度矩陣正定性導(dǎo)致效率低的缺點(diǎn),在彈塑性增量有限元方程的迭代計(jì)算中嘗試采用Newton-Raphson法和Arc-Length法(NR-AL法)聯(lián)合迭代求解的思路,即在結(jié)構(gòu)未達(dá)到極限荷載前采用Newton-Raphson迭代法,而當(dāng)結(jié)構(gòu)接近極限荷載時(shí)轉(zhuǎn)換為Arc-Length法控制迭代,從而使結(jié)構(gòu)越過(guò)峰值點(diǎn)進(jìn)入軟化區(qū)直至破壞,NR-AL法汲取了2者迭代求解中具有的優(yōu)勢(shì)。最后,利用C++語(yǔ)言對(duì)所建應(yīng)變軟化模型的本構(gòu)求解和彈塑性增量有限元方程迭代求解過(guò)程給予程序?qū)崿F(xiàn),應(yīng)用所編程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析Drucker-Prager理想彈塑性模型、應(yīng)變軟化模型、應(yīng)變硬化模型計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的區(qū)別,同時(shí)將應(yīng)變軟化模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明所建應(yīng)變軟化本構(gòu)模型可以較好地模擬巖石材料的峰后軟化特性,能夠揭示峰后應(yīng)變軟化特性和破壞機(jī)制,NR-AL法能夠求解由于應(yīng)變軟化造成的負(fù)剛度問(wèn)題,也克服了單獨(dú)使用弧長(zhǎng)法時(shí)判斷切線剛度矩陣正定性效率低的缺點(diǎn)。 (4)在實(shí)際隧道施工過(guò)程中,隧道開挖引起地下巖體應(yīng)力重分布使得圍巖的微裂紋擴(kuò)展損傷,并伴隨有塑性流動(dòng)變形。為研究損傷引起的剛度退化和塑性導(dǎo)致的流動(dòng)兩種破壞機(jī)制的耦合作用,從彈塑性力學(xué)和損傷理論的角度出發(fā),同時(shí)引入修正有效應(yīng)力原理來(lái)考慮孔隙水壓力的作用,建立基于Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的彈塑性損傷本構(gòu)模型。針對(duì)該本構(gòu)模型推導(dǎo)了孔隙水壓力作用下彈塑性損傷本構(gòu)模型的數(shù)值積分算法-隱式返回映射算法。大多數(shù)彈塑性損傷模型中涉及參數(shù)多且不易確定的問(wèn)題,采用反分析方法獲得損傷參數(shù),解決損傷模型參數(shù)不易確定的難題。采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ㄊ褂肅++語(yǔ)言編制了彈塑性損傷本構(gòu)求解程序,并對(duì)所建彈塑性損傷模型和所編程序進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值兩方面的驗(yàn)證；最后將其在吉林撫松隧道工程中進(jìn)行應(yīng)用,模擬了塑性區(qū)和損傷區(qū)的發(fā)展變化。研究結(jié)果表明所建立彈塑性傷損本構(gòu)模型能夠較好地描述巖石的力學(xué)性能、塑性和損傷變化趨勢(shì),所編程序能夠進(jìn)行實(shí)際工程問(wèn)題的模擬,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工給予一定的指導(dǎo)。同時(shí)基于Lemaitre等向硬化彈塑性損傷耦合本構(gòu)模型,采用C++語(yǔ)言在Visual6.0環(huán)境下編制有限元本構(gòu)求解程序,在塑性損傷修正步中求解返回映射方程時(shí),選取一種簡(jiǎn)單的形式,只需迭代求解一個(gè)標(biāo)量非線性方程,計(jì)算效率較高。通過(guò)缺口圓棒數(shù)值算例初步驗(yàn)證了程序的正確性。同時(shí)豐富了巖石彈塑性損傷MHC耦合程序中主控力學(xué)程序的本構(gòu)模型,為研究巖石等材料損傷問(wèn)題提供方法和途徑。 (5)在地下水滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、損傷場(chǎng)的耦合作用下,更易造成隧道圍巖坍塌或涌水等災(zāi)害。首先,將圍巖材料視作各向同性連續(xù)介質(zhì),采用基于前文Drucker-Prager準(zhǔn)則建立巖石彈塑性損傷本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值求解。其次,根據(jù)巖石處于彈塑性狀態(tài)時(shí)滲透系數(shù)動(dòng)態(tài)演化公式,建立巖石彈塑性損傷MH耦合模型,并給出三場(chǎng)耦合情況下的數(shù)值求解迭代方法。同時(shí)針對(duì)耦合模型中涉及參數(shù)較多且不易測(cè)定的問(wèn)題,基于前文差異進(jìn)化算法原理建立的智能反分析方法,對(duì)耦合模型中的損傷參數(shù)進(jìn)行反演。最后,利用C++語(yǔ)言編制相應(yīng)的巖石彈塑性損傷MH耦合程序,利用所編程序進(jìn)行以下計(jì)算：①分別采用彈性模型和彈塑性損傷模型進(jìn)行隧道圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算。②不考慮力學(xué)作用的情況下進(jìn)行孔隙水壓力、滲流量的計(jì)算。③采用所建耦合模型計(jì)算得到隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及損傷場(chǎng)的相互影響規(guī)律。研究結(jié)果表明所建立的耦合模型通過(guò)應(yīng)力、滲流和損傷的相互作用更能夠真實(shí)地反映出巖石材料的宏觀破壞現(xiàn)象,所編計(jì)算程序能夠模擬地下水滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、損傷場(chǎng)之間的耦合特性,為受地下水影響嚴(yán)重的工程建設(shè)提供了方法。采用上述所建模型及程序?qū)Υ筮B地鐵海事大學(xué)試驗(yàn)線路過(guò)河段隧道施工過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。 (6)關(guān)于巖石MHC耦合的研究相對(duì)較少,這其中大多數(shù)是圍繞試驗(yàn)展開的,涉及巖石MHC耦合模型及相關(guān)數(shù)值程序方面的研究相對(duì)較少,如何建立巖石應(yīng)力-滲流-化學(xué)耦合作用的定量關(guān)系和數(shù)學(xué)模型,仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題和難題�？紤]應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)三者的耦合作用,根據(jù)力學(xué)損傷變量和水化學(xué)損傷變量推導(dǎo)巖石彈塑性MHC耦合損傷變量。①基于已有試驗(yàn)研究得出的水化學(xué)損傷與超聲波速之間的經(jīng)驗(yàn)公式給出水化學(xué)損傷變量的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。以耦合損傷變量代替力學(xué)損傷變量,采用所編制的彈塑性損傷MH耦合程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,此耦合屬于單向耦合方式,只能夠反映出水化學(xué)場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)的作用。②基于水化學(xué)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算,采用孔隙度的形式給出水化學(xué)損傷變量,將巖石彈塑性損傷MH耦合程序與水化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件phreeqc結(jié)合,開發(fā)巖石彈塑性損傷MHC耦合程序,此耦合方式屬于松弛耦合方式,通過(guò)耦合損傷變量將化學(xué)場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)聯(lián)系起來(lái),能夠反映三場(chǎng)之間的相互作用及影響,采用該程序?qū)κ芩瘜W(xué)溶液作用影響的問(wèn)題進(jìn)行模擬計(jì)算。最后對(duì)貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線下穿南明河段隧道進(jìn)行數(shù)值模擬。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U452.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2385803