渗流-应力-损伤耦合研究现状

归纳总结了渗流-应力-损伤三场耦合的研究现状，并详细阐述了其中两场进行耦合研究的类型及各自的使用范围和优缺点。渗流一应力耦合包括多孔介质的渗流-应力耦合和裂隙系统的渗流一应力耦合两方面的内容。通过对前人研究成果的总结，研究岩体微裂纹的萌生、连接、扩展和贯通全过程中渗透率演化规律及作用机理，对于解决工程实际问题有一定的应用价值和参考价值。     

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

能源隧道的温度应力有限元计算

基于ABAQUS通用有限元软件与清华岩土热力学模型有限元分析程序(TTS-FEP),分析能源隧道能量传输过程中的温度应力。建立平面应变算例,分别进行线性弹性、非线性弹性和非线性粘弹塑性分析。计算结果表明:通过瞬态传热计算分析,ABAQUS通用有限元软件与清华岩土热力学模型有限元分析程序计算结果接近。由于环向方向较径向方向受到更大约束作用,计算所得环向应力变化较为明显。将衬砌材料分别设定为线性弹性模型、非线性弹性模型与非线性粘弹塑性模型,所得能源隧道应力计算结果较接近。关于温度应力的计算,3种模型计算所得衬砌与围岩界面处温度应力逐渐减小。     

卤水-干湿侵蚀下HDC力学性能试验及损伤本构模型研究

为了研究卤水-干湿循环环境下高延性混凝土(HDC)单轴受压力学性能,以3种高浓度卤水溶液为侵蚀介质,对HDC共进行了195次干湿循环试验,分析了卤水与干湿循环共同作用对HDC抗压强度、抗折强度及应力-应变关系的影响。试验结果表明:HDC对卤水有较好的抗侵蚀能力,且破坏时的应变基本保持在(2.5～3.5)%,为延性破坏;在整个循环周期内,试件的质量均出现先降后升的现象,其中溶液3(15%Cl~-+5%SO_4~(2-))中的HDC试件在150次循环后质量缓慢增长至94%;溶液3(15%Cl~-+5%SO_4~(2-))中HDC抗压强度耐腐蚀系数和抗压强度下降幅度最大,分别为33.1%和50%;根据试验结果,推导出了化学损伤变量的表达式,进一步耦合力学损伤,引入耦合损伤变量D,建立了HDC在力学和化学损伤耦合作用下的弹塑性-化学损伤本构模型。     

分级加卸载下深部巷道围岩蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300m东大巷二煤层底板粉砂岩进行了单轴蠕变特性试验,探讨了轴向蠕变和各蠕变阶段的非线性粘弹塑性变形特征。试验结果表明,当应力水平低于岩石的长期强度时,粉砂岩只发生衰减蠕变;瞬时塑性应变和粘塑应变随轴向应力的增大而增大,瞬时弹性模量随应力水平增大而增加,而变形模量随应力水平增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;随着应力水平增大,粘弹性应变、粘塑性应变和总蠕变均先减小然后增大,表明低应力下因岩石内部微裂纹不断压密产生应变硬化,高应力下因岩石材料性质不断劣化产生内部损伤发生应变软化。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

热弹塑性土体本构模型及在多场耦合数值模拟中的应用

采用热等效应力的概念,提出一种新的热弹塑性饱和/非饱和土本构模型,其在正常屈服面以内仍然会发生塑性应变。该模型通过以饱和度和土骨架应力为状态变量,能够统一描述饱和、非饱和土体的热力学特性;还采用上下负荷面概念,考虑了土的结构和超固结发展特性。所提出的本构模型可以很好地展现饱和/非饱和土体在不同温度条件下固结压缩实验和三轴实验中的压缩和应力应变特性。将该模型导入土-水-气-热多场耦合有限元分析中,利用有限单元一有限差分法模拟了深层软岩加热高温试验。计算结果与试验结果吻合得很好,验证了所提出的本构模型与多相场耦合有限元方法的准确性,可尝试将其用于地热能开发与土体热力学特性的研究和模拟。     

先动后静荷载联合作用下结构性软粘土力学响应

为研究结构性软粘土在先动后静荷载作用下的力学响应特性,利用动静扭剪仪对天津滨海结构性软粘土进行了不同动应力幅值和波形的循环荷载作用,当动力累积塑性应变达到不同控制值后,再对土样进行静力三轴剪切试验。试验结果表明,在循环荷载作用下,累积塑性变形不断增大,土体结构破损加剧,随着先期动应力幅值和累积塑性应变的增大;之后,静力三轴应力应变关系曲线由应变软化型逐渐变为硬化型,其区分界限(1.25%)即为结构屈服应变;以结构屈服应变为分界点,相同围压下静力破坏应力随累积塑性应变的增大呈先快后缓的下降趋势。     

应用于堆石坝的弹塑性模型与亚塑性模型的理论对比分析

未来的超高面板堆石坝的设计与施工将以变形控制为核心,面板堆石坝的变形与堆石体的材料密切相关,然而,堆石体的材料是一种典型的非线弹性材料,因此选取能够准确反映堆石体应力和变形关系的本构模型将是解决坝体变形的有效措施之一。在广泛阅读国内外相关文献的基础上,选取在经典弹塑性理论与亚塑性理论中具有一定代表性的沈珠江双屈服面弹塑性模型与Gu—dehus—Buaer亚塑性模型进行系统的理论分析与对比,为堆石体材料应力应变分析模型的选取提供理论依据。     

软岩地区喷射混凝土边坡变形分析——温度场与应力场的耦合效应

由于混凝土材料与岩土材料的热传导系数、比热容与热膨胀系数的差异,使得喷射混凝土边坡在温度的循环变化下,容易在喷层与岩土层的结合面处产生应力集中而开裂.提出考虑地应力与温度应力耦合作用的有限元分析方法,分析了不同边界温度作用下,边坡喷层面水平位移、垂直位移的规律;指出在温度应力与地应力的共同作用下,喷射混凝土边坡的坡顶与坡脚都是容易发生破坏的部位,通常坡顶的破坏形式为拉张破坏而坡脚则为剪切破坏.当温度变化剧烈时,边坡的防护必须考虑温度应力的影响.     

浅谈裂隙岩体渗流与应力耦合的问题

针对工程岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定,提出了裂隙岩体渗流与应力耦合的研究课题。结合岩体渗流的特性,分析了裂隙岩体应力与应变对渗透系数的影响情况,然后对裂隙岩体渗流场和应力场耦合作用及反演分析的思想和方法进行了论述,最后对目前裂隙岩体渗流场与应力场耦合的研究进展和存在的问题进行了介绍。     

基于损伤塑性模型的砌体墙体非线性有限元分析

为了研究砌体墙体用钢结构加固后的力学性能,需要提供较准确的砌体墙体非线性计算,考虑到砌体与混凝土的材料性质具有相似性,将混凝土损伤塑性模型经修正后应用于砌体数值模拟,实现对砌体墙体的非线性有限元分析。通过与水平加载试验结果对比,验证了有限元模型的正确性。探讨了损伤塑性模型中的粘性系数、膨胀角、砌体本构关系中的初始弹性模量、受拉应力应变关系对计算结果的影响。结果表明:粘性系数和膨胀角对抗剪承载力、峰值位移及下降段性能均有较大影响,而对初始刚度影响很小;随着初始弹性模量的增大,砌体墙体抗剪承载力随之提高,但峰值位移无明显变化;受拉应力应变方程中待定系数的取值,对抗剪承载力及峰值位移影响较大。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用

将抗剪强度折减法基本概念、弹塑性有限元分析原理与计算结果图形实时显示技术相结合,提出了以广义塑性应变及塑性开展区作为边坡失稳的评判依据,并与以非线性迭代收敛条件作为失稳评判指标的强度折减有限元方法进行了对比。对于天然垂直边坡的算例数值分析表明,采用广义塑性应变与塑性开展区作为失稳判据可以比较准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数,验证了这种失稳判据的合理性。对开挖边坡和开挖支护边坡的实例计算结果表明本文方法对于复杂的边坡稳定性分析是实用的。     

基于非饱和土渗流理论的尾矿库流固耦合分析

基于非饱和土渗流理论,针对某上游法尾矿库工程地质、水文地质条件以及库内尾矿的物理力学性能试验成果,建立了尾矿库三维有限元模型,研究了尾矿的土-水交互特征曲线,分析了尾矿库的渗流场、应力场以及流固耦合效应,总结出了上游法尾矿库流固耦合计算规律。结果表明:(1)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库堆积坝内浸润线平均埋深更符合实际、更趋合理;(2)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库内正孔隙水压力更大,而考虑流固耦合作用时尾矿库内负孔隙水压力则更小;(3)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库内最大Von-Mises应力和最大切应力均更小;(4)连续流固耦合只需耦合计算1次,完全流固耦合则需多次耦合计算,完全流固耦合作用时的计算精度随耦合计算次数增加而趋于精确,尾矿库流固耦合分析宜采用完全流固耦合分析方法。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

基于IDA钢管混凝土桁架连续曲线桥抗震易损性分析

以一座最大墩高50m曲线钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥为工程背景,采用OpenSees建立其弹塑性三维有限元动力分析模型,从PEER地震数据库中选取10条地震动记录对其进行增量动力分析。以典型墩最不利截面材料损伤应变所对应截面曲率为损伤指标,利用能力需求比对数函数进行回归分析,计算不同构件在不同损伤状态下的破坏概率,建立墩柱易损性曲线和支座易损性曲线。基于联合失效概率分析方法,形成了桥梁系统易损性曲线。同时建立多个对比模型,分析墩跨比和曲线半径对桥梁易损性影响。结果表明:钢管格构桥墩高度差异不大时,和钢筋混凝土桥墩相邻的首个钢管格构桥墩震动响应较大;本桥墩和梁之间大量使用橡胶支座从而形成弹性连接和铰接的减震措施,可有效降低桥梁完全破坏概率;墩跨比增大将导致桥梁系统完全破坏损伤概率随之增大;随着曲线半径增大,损伤概率逐渐增大,曲线桥本身拱结构对顺桥向地震有一定抵抗作用。     

锚固系统与锚固介质材料中应力波波速的关系

应用低应变反射波法对锚杆锚固系统进行无损检测时,常因锚杆底端反射很微弱而影响锚固系统中应力波波速的准确确定,导致锚固质量无法准确判读,为此,采用低应变反射波法测试了不同围岩和锚固介质中的锚固系统应力波波速,并与采用超声波法测试的由锚固介质材料所制作标准试块中的应力波波速进行对比分析。结果表明,这2种波速与锚固介质材料强度密切相关;锚固系统中的应力波波速介于锚固介质材料与自由锚杆中的应力波波速之间,锚固系统中的应力波波速和锚杆介质材料中的应力波波速随龄期和强度均呈指数关系变化且对称分布。     

混凝土受拉动态破坏过程的细观数值方法研究

混凝土在宏观层次上属于各向同性材料,但在细观层次上可视为由粗骨料、砂浆以及二者界面组成的三相非均质复合材料。混凝土是一种典型的率敏感材料,不同应变率水平下存在不同的强度增长机制。从混凝土细观结构出发,提出了混凝土动态受力分析的刚体弹簧元(Rigid Body Spring Model,RBSM)方法,通过建立混凝土细观各相组成材料的粘弹塑性损伤本构模型,充分考虑Stefan效应在中低应变率水平下对混凝土力学性能的影响,模拟了混凝土的强度增长规律。对砂浆、混凝土试件的单轴受拉动态破坏分析表明,本文建立的动态弹簧元模型能较好地模拟混凝土强度随应变率增长而提高的规律,而且能够跟踪加载过程中混凝土内部的裂缝开展过程和最终破坏形态。     

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力(小于竖直方向压力)及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程.岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为.监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律.根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆.模拟结果...