本文關(guān)鍵詞：基于內(nèi)變量熱力學(xué)的流變模型及巖體結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性研究

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【摘要】：我國的水利水電工程建設(shè)、油氣地下儲存、煤炭和礦山開采等均涉及一系列世界級的巖石工程,其特點(diǎn)是工程規(guī)模巨大,地質(zhì)條件復(fù)雜,工程擾動強(qiáng)烈。天然巖體受劇烈工程擾動后將表現(xiàn)出與時間相關(guān)的應(yīng)力和變形重分布過程,直接影響巖體工程結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行、長期穩(wěn)定和安全。本文基于內(nèi)變量熱力學(xué)理論,采用動態(tài)演化觀點(diǎn)研究擾動巖體結(jié)構(gòu)非平衡演化規(guī)律和巖體工程結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性問題,重點(diǎn)對流變模型和長期穩(wěn)定性分析方法開展研究。主要工作與創(chuàng)新性成果如下:(1)開展有基礎(chǔ)處理的高拱壩三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),分析拱壩-壩基結(jié)構(gòu)變形、破壞和整體穩(wěn)定性。將有處理和無處理的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,從應(yīng)力、變形、破壞模式和超載安全系數(shù)等方面對基礎(chǔ)處理的加固效果進(jìn)行綜合評價分析。(2)基于內(nèi)變量熱力學(xué)理論建立流變模型,對黏彈性蠕變本構(gòu)方程和黏塑性蠕變本構(gòu)方程中內(nèi)變量的物理意義進(jìn)行了深入探討,通過模型相似材料單軸蠕變加卸載試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證流變模型的正確性和合理性。(3)推導(dǎo)應(yīng)力松弛本構(gòu)方程。從材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)動態(tài)演化的觀點(diǎn)出發(fā),解釋蠕變和應(yīng)力松弛的等價性,并揭示控制蠕變和松弛的同一物理力學(xué)機(jī)制,即闡明了兩者的內(nèi)在一致性問題。(4)基于Lyapunov第二類穩(wěn)定方法分析材料系統(tǒng)的熱力學(xué)穩(wěn)定性,對不同類型時效變形所對應(yīng)的熱力學(xué)過程的性質(zhì)和規(guī)律進(jìn)行總結(jié);分析在恒定荷載和位移邊界條件下的結(jié)構(gòu)非平衡演化規(guī)律及長期穩(wěn)定性,并給出定量的長期穩(wěn)定性評價指標(biāo)和明確的穩(wěn)定性判據(jù)。(5)基于FLAC3D的二次開發(fā)程序接口,將提出的流變模型開發(fā)為數(shù)值計算程序CTV-E和CTV-P,并應(yīng)用于深埋地下洞室和錦屏一級左岸壩肩高邊坡流變計算。計算得到能量耗散率的結(jié)構(gòu)域積分Ω及其時間導(dǎo)數(shù)Ω與時間t的關(guān)系曲線(Ω-t和Ω-t曲線),并用于分析巖體結(jié)構(gòu)的非平衡演化規(guī)律和長期穩(wěn)定性。計算同時揭示了巖體結(jié)構(gòu)在長期變形過程中的薄弱環(huán)節(jié)。
【關(guān)鍵詞】：內(nèi)變量熱力學(xué) 流變模型 非平衡演化 長期穩(wěn)定性 評價指標(biāo)
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU45
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 緒論10-29
• 1.1 工程背景與研究意義10-13
• 1.2 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究綜述13-15
• 1.2.1 國內(nèi)外模型試驗(yàn)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究及發(fā)展方向14-15
• 1.3 巖土工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算分析方法研究綜述15-19
• 1.3.1 剛體極限平衡法16-17
• 1.3.2 極限分析有限元法17
• 1.3.3 能量法17-18
• 1.3.4 變形加固理論18-19
• 1.4 巖體工程結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性研究綜述19-27
• 1.4.1 巖體結(jié)構(gòu)工程時效分析的數(shù)值方法19-20
• 1.4.2 流變模型研究20-25
• 1.4.3 巖石流變與損傷耦合的本構(gòu)方程研究25-26
• 1.4.4 巖體工程結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性評價26-27
• 1.5 本文的研究思路、主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)27-29
• 1.5.1 研究思路和主要工作27-28
• 1.5.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)28-29
• 第2章 大崗山拱壩地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)29-62
• 2.1 本章引言29
• 2.2 大崗山水電站29-31
• 2.3 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)設(shè)計31-33
• 2.3.1 模型相似比尺31-32
• 2.3.2 模型相似材料32-33
• 2.3.3 模型模擬范圍33
• 2.4 結(jié)構(gòu)模擬33-40
• 2.4.1 裂隙巖體模擬33-35
• 2.4.2 拱壩壩體模擬35-36
• 2.4.3 軟弱結(jié)構(gòu)面模擬36-38
• 2.4.4 基礎(chǔ)處理模擬38-40
• 2.5 模型試驗(yàn)系統(tǒng)40-43
• 2.6 試驗(yàn)結(jié)果及整體穩(wěn)定性分析43-47
• 2.6.1 壩面應(yīng)力分析43-44
• 2.6.2 壩面位移分析44-45
• 2.6.3 開裂破壞過程分析45-46
• 2.6.4 整體穩(wěn)定性分析46-47
• 2.7 拱壩數(shù)值模擬及比對綜合分析47-54
• 2.7.1 計算網(wǎng)格48-49
• 2.7.2 應(yīng)力對比分析49
• 2.7.3 位移對比分析49-50
• 2.7.4 開裂破壞對比分析50-52
• 2.7.5 整體穩(wěn)定綜合分析52-54
• 2.8 加固效果分析與評價54-60
• 2.8.1 壩體應(yīng)力影響54
• 2.8.2 變形影響54-56
• 2.8.3 破壞模式影響56-59
• 2.8.4 整體穩(wěn)定性影響59-60
• 2.9 本章小結(jié)及展望60-62
• 第3章 基于內(nèi)變量熱力學(xué)理論的流變模型62-91
• 3.1 本章引言62
• 3.2 Rice內(nèi)變量熱力學(xué)理論62-68
• 3.2.1 正則結(jié)構(gòu)62-66
• 3.2.2 正則結(jié)構(gòu)的Lagrange公式66-67
• 3.2.3 多尺度熱力學(xué)公式67-68
• 3.3 內(nèi)變量流變模型68-72
• 3.3.1 分離宏觀內(nèi)變量68
• 3.3.2 蠕變的熱力學(xué)解釋68-69
• 3.3.3 模型本構(gòu)方程的一般形式69-72
• 3.4 黏彈性本構(gòu)方程及其基本性質(zhì)72-75
• 3.4.1 黏彈性本構(gòu)方程72-74
• 3.4.2 黏彈性內(nèi)變量的物理意義74-75
• 3.5 黏塑性本構(gòu)方程及其基本性質(zhì)75-78
• 3.5.1 黏塑性本構(gòu)方程75-77
• 3.5.2 方程基本性質(zhì)77-78
• 3.6 單軸蠕變試驗(yàn)及模型驗(yàn)證78-90
• 3.6.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備79-80
• 3.6.2 單軸蠕變加卸載試驗(yàn)80-82
• 3.6.3 黏彈性本構(gòu)方程參數(shù)擬合82-85
• 3.6.4 黏塑性本構(gòu)方程參數(shù)擬合85-89
• 3.6.5 方程參數(shù)敏感性分析89-90
• 3.7 本章小結(jié)90-91
• 第4章 蠕變與應(yīng)力松弛的內(nèi)在一致性91-98
• 4.1 本章引言91
• 4.2 應(yīng)力松弛研究綜述91-92
• 4.3 應(yīng)力松弛本構(gòu)方程92-94
• 4.4 蠕變和松弛的內(nèi)在一致性94-96
• 4.5 本章結(jié)論96-98
• 第5章 巖體結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性研究98-114
• 5.1 本章引言98-99
• 5.2 材料系統(tǒng)的熱力學(xué)穩(wěn)定分析99-102
• 5.3 蠕變的熱力學(xué)性質(zhì)102-109
• 5.3.1 黏彈性變形的熱力學(xué)性質(zhì)103-104
• 5.3.2 過渡蠕變階段的熱力學(xué)性質(zhì)104-105
• 5.3.3 不考慮損傷蠕變過程的熱力學(xué)性質(zhì)105-106
• 5.3.4 考慮損傷蠕變過程的熱力學(xué)性質(zhì)106-109
• 5.3.5 蠕變過程中的材料穩(wěn)定性109
• 5.4 巖體結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性109-113
• 5.5 本章小結(jié)113-114
• 第6章 基于FLAC~(3D)的自定義模型開發(fā)與應(yīng)用114-148
• 6.1 本章引言114
• 6.2 內(nèi)變量蠕變本構(gòu)方程的中心差分形式114-121
• 6.3 流變模型的程序?qū)崿F(xiàn)121-124
• 6.4 計算程序驗(yàn)證124-128
• 6.5 算例分析——深埋地下雙隧洞128-134
• 6.6 工程實(shí)例——錦屏一級高拱壩左岸壩肩高邊坡134-147
• 6.6.1 工程概況134
• 6.6.2 計算模型及流變參數(shù)134-137
• 6.6.3 結(jié)果分析137-147
• 6.7 本章結(jié)論147-148
• 第7章 結(jié)論與展望148-151
• 7.1 主要研究成果與結(jié)論148-149
• 7.2 研究展望149-151
• 參考文獻(xiàn)151-164
• 致謝164-166
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果166-167

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本文編號：863233