巖石損傷多場耦合機(jī)理與數(shù)值模型研究

目 錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 巖石損傷力學(xué)與本構(gòu)模型研究現(xiàn)狀 1
1.2 巖石損傷多場耦合機(jī)理研究現(xiàn)狀 3
1.3 巖石損傷MHC耦合數(shù)值算法研究現(xiàn)狀 6
1.4 彈塑性本構(gòu)積分算法研究進(jìn)展 7
1.5 隧道圍巖安全性評價(jià)研究 11
1.6 本書研究工作 12
第2章 巖石損傷多場耦合機(jī)理試驗(yàn)研究 13
2.1 引言 13
2.2 含水巖石凍脹損傷測試裝置研制與試驗(yàn) 13
2.2.1 研制目的和意義 13
2.2.2 裝置研制 14
2.2.3 實(shí)施方式與使用步驟 14
2.2.4 試件制備 15
2.2.5 試驗(yàn)方案及方法 15
2.2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析 16
2.3 環(huán)向滲流一應(yīng)力耦合下巖石滲透性試驗(yàn)裝置研制與試驗(yàn) 17
2.3.1 研制目的和意義 17
2.3.2 裝置研制 18
2.3.3 使用步驟及計(jì)算公式 20
2.3.4 試驗(yàn)方法和過程 21
2.3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析 24
2.4 低溫試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)和電阻率測試方法 31
2.4.1 三軸流變儀介絹 31
2.4.2 低溫三軸蠕變電阻率測試方法 33
2.4.3 低溫環(huán)境下巖石蠕變的電阻率響應(yīng) 34
2.5 化學(xué)腐蝕一凍融循環(huán)巖石蠕變試驗(yàn) 37
2.5.1 低溫巖石蠕變試驗(yàn)過程介紹 37
2.5.2 凍融腐蝕作用后巖石蠕變試驗(yàn)結(jié)果分析 39
2.6 飽水裂隙片巖超聲試驗(yàn)及損傷斷裂機(jī)制研究 48
2.6.1 試件制備及試驗(yàn)設(shè)備 48
2.6.2 試驗(yàn)方法 49
2.6.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 49
2.7 化學(xué)腐蝕環(huán)境下貫通裂隙板巖的滲透特性試驗(yàn)研究 54
2.7.1 試驗(yàn)過程 54
2.7.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析 55
2.7.3 滲流機(jī)理數(shù)值模擬分析 61
2.8 加卸載條件下石英巖蠕變一滲流耦合規(guī)律試驗(yàn)研究 65
2.8.1 蠕變滲流耦合加卸載試驗(yàn) 65
2.8.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析 67
2.9 本章小結(jié) 71
第3章 巖石彈塑性損傷MHC耦合機(jī)理及程序框架搭建 74
3.1 引言 74
3.2 巖石彈塑性損傷MHC耦合作用機(jī)理 74
3.3 巖石彈塑性損傷MHC耦合控制方程 76
3.3.1 應(yīng)力場方程 76
3.3.2 滲流場方程 76
3.3.3 力學(xué)損傷場方程 77
3.3.4 水化學(xué)場方程 77
3.3.5 座力應(yīng)變與滲透性關(guān)系方程 78
3.3.6 力學(xué)場與化學(xué)場損傷變量的耦合方程 78
3.4 巖石彈塑性損傷MHC耦合程序框架搭建 79
3.4.1 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想 80
3.4.2 解耦策略與方法 80
3.4.3 耦合程序組織框架 81
3.4.4 主控力學(xué)程序結(jié)構(gòu) 81
3.5 彈塑性本構(gòu)積分算法一完全隱式返回映射算法 86
3.5.1 一般彈塑性本構(gòu)方程 86
3.5.2 完全隱式返回映射算法求解彈塑性本構(gòu)方程 88
3.6 基于von Mises本構(gòu)模型的求解程序 89
3.6.1 von Mises模型的一致切線模量 89
3.6.2 各向同性非線性應(yīng)變硬化 90
3.6.3 算例驗(yàn)證 91
3.7 基于Drucker-Prager本構(gòu)模型的求解程序 94
3.7.1 Drucker-Prager本構(gòu)模型的完全隱式返回映射算法 94
3.7.2 程序開發(fā)流程 97
3.7.3 地基問題的求解 99
3.7.4 邊坡問題的求解 103
3.8 基于DE算法的智能反分析程序開發(fā) 105
3.8.1 差異進(jìn)化算法原理 106
3.8.2 智能位移反分析程序編制 107
3.8.3 彈塑性力學(xué)參數(shù)反演 109
3.8.4 損傷參數(shù)反演 117
3.9智能反分析程序的工程應(yīng)用 120
3.9.1 工程概況 120
3.9.2 力學(xué)參數(shù)反演 122
3.10 本章小結(jié) 125
第4章 巖石彈塑性損傷本構(gòu)模型建立及其數(shù)值求解程序 126
4.1 引言 126
4.2 巖石應(yīng)變軟化本構(gòu)模型建立及NR-AL法求解研究 127
4.2.1 巖石材料應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程關(guān)系 127
4.2.2 建立應(yīng)變軟化本構(gòu)模型 128
4.2.3 增量有限元方程的NR-AL法迭代求解 129
4.2.4 程序編制 132
4.2.5 數(shù)值計(jì)算及驗(yàn)證 134
4.3 基于修正有效應(yīng)力原理的巖石彈塑性損傷本構(gòu)模型建立 137
4.3.1 巖石彈塑性損傷本構(gòu)模型建立 137
4.3.2 損傷本構(gòu)模型數(shù)值求解過程 140
4.3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證 146
4.3.4 數(shù)值驗(yàn)證 147
4.4 Lemaitre等向硬化彈塑性損傷耦合本構(gòu)模型積分算法及程序?qū)崿F(xiàn) 150
4.4.1 基于熱力學(xué)原理的彈塑性損傷耦合本構(gòu)模型 151
4.4.2 等向硬化彈塑性損傷耦合模型 154
4.4.3 等向硬化彈塑性損傷耦合模型積分算法 155
4.4.4 缺口圓棒求解 158
4.5 巖石損傷本構(gòu)程序在撫松隧道工程中的應(yīng)用 159
4.5.1 工程概況 159
4.5.2 有限元模型建立 161
4.5.3 損傷參數(shù)反演 161
4.5.4 數(shù)值模擬及分析 161
4.6 本章小結(jié) 164
第5章 巖石彈塑性損傷MH耦合模型建立及其數(shù)值求解程序 165
5.1 引言 165
5.2 滲流基本理論及滲流有限元程序計(jì)算 166
5.2.1 滲流運(yùn)動(dòng)和連續(xù)性方程 166
5.2.2 穩(wěn)定滲流微分方程及定解條件 168
5.2.3 滲流程序計(jì)算 168
5.3 巖石彈塑性損傷MH耦合模型建立 170
5.3.1 巖石力學(xué)場方程 170
5.3.2 地下水滲流場方程 171
5.3.3 損傷變量與演化方程 171
5.3.4 巖石損傷過程中滲透性變化特征 172
5.4 耦合模型數(shù)值求解與分步迭代法 172
5.4.1 彈塑性損傷MH耦合迭代求解 172
5.4.2 數(shù)值計(jì)算 175
5.5 大連近海過河段隧道工程的耦合計(jì)算 182
5.5.1 工程概況 183
5.5.2 訐算模型與損傷參數(shù)反演 185
5.5.3 計(jì)算工況及結(jié)果分析 186
5.6 本章小結(jié) 192
第6章 巖石彈塑性損傷MHC耦合模型及其數(shù)值求解程序 193
6.1 引言 193
6.2 水化學(xué)溶液腐蝕機(jī)理 193
6.3 基于經(jīng)驗(yàn)公式法的巖石損傷MHC耦合模擬 194
6.3.1 基于經(jīng)驗(yàn)公式法的水化學(xué)損傷變量 194
6.3.2 受荷損傷變量及演化方程 195
6.3.3 巖石MHC耦合損傷變量 196
6.3.4 數(shù)值模擬 196
6.4 巖石水化學(xué)損傷演化數(shù)值模擬基礎(chǔ) 199
6.4.1 質(zhì)量作用定律 200
6.4.2 活度與離子強(qiáng)度 200
6.4.3 溶解和沉淀 200
6.4.4 化學(xué)反應(yīng)速率方程 201
6.5 巖石水化學(xué)損傷動(dòng)態(tài)演化數(shù)值模擬 201
6.5.1 水文地球化學(xué)模擬軟件PHREEQC 201
6.5.2 水化學(xué)損傷變量及演化方程 202
6.5.3 數(shù)值模擬 203
6.6 基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的損傷MHC耦合程序及數(shù)值計(jì)算 204
6.6.1 巖石彈塑性損傷MHC耦合程序?qū)崿F(xiàn) 204
6.6.2 數(shù)值模擬 206
6.7 本章小結(jié) 208
第7章 基于ZSI的圍巖安全性MH耦合數(shù)值模擬 210
7.1 引言 210
7.2 單元狀態(tài)指標(biāo)定量評價(jià)方法 210
7.2.1 單元狀態(tài)指標(biāo)的推導(dǎo) 210
7. 7.2 單元狀態(tài)指標(biāo)在FLAC3D中的實(shí)現(xiàn) 215
7.3 ZSI在典型巖土工程問題中的驗(yàn)證 218
7.3.1 邊坡問題的驗(yàn)證 218
7.3.2 拉伸破壞模擬驗(yàn)證 219
7.4 基于ZSI的盾構(gòu)隧道MH耦合模擬分析 221
7.4.1 FLAC3DMH耦合數(shù)值模擬理論 221
7.4.2 MH耦合過程的滲透系數(shù)變化 222
7.4.3 數(shù)值模型的建立 223
7.4.4 計(jì)算參數(shù)和開挖步驟 224
7.4.5 計(jì)算結(jié)果與分析 225
7.5 本章小結(jié) 230
第8章 非線性損傷流變MH耦合模型及程序開發(fā) 231
8.1 引言 231
8.2 巖石蠕變損傷模型 231
8.2.1 西原模型簡介 232
8.2.2 NNS模型蠕變特性 232
8.2.3 NNS模型蠕變方程的分段函數(shù)表達(dá) 234
8.3 NNS模型參數(shù)確定方法 236
8.3.1 胡克體參數(shù)的確定 236
8.3.2 開爾文體和黏性體參數(shù)的確定 236
8.3.3 塑性參數(shù)的確定 237
8.4 非線性西原軟化蠕變模型的二次開發(fā) 239
8.4.1 FLAC3D的二次開發(fā)方法 239
8.4.2 NNS模型的差分公式 239
8.4.3 彈性和黏彈性部分表達(dá) 240
8.4.4 黏塑性部分表達(dá) 241
8.4.5 塑性部分表達(dá) 245
8.4.6 NNS模型的二次開發(fā) 246
8.5 NNS模型的模型驗(yàn)證與應(yīng)用 248
8.5.1 彈塑性特性驗(yàn)證 248
8.5.2 黏彈性特性驗(yàn)證 249
8.5.3 黏彈塑性特性驗(yàn)證 250
8.5.4 陳家店隧道時(shí)效變形的數(shù)值模擬分析 252
8.6 基于ZSI的蠕變一滲流非線性ZNS模型 259
8.6.1 ZNS模型的提出 259
8.6.2 ZNS模型試驗(yàn)驗(yàn)證 260
8.6.3 ZNS模型在大連地鐵的應(yīng)用 262
8.7 本章小結(jié) 277
叁考文獻(xiàn) 278