巖石損傷多場耦合機理與數(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)積分算法研究進展 7
1.5 隧道圍巖安全性評價研究 11
1.6 本書研究工作 12
第2章 巖石損傷多場耦合機理試驗研究 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 13
2.2.1 研制目的和意義 13
2.2.2 裝置研制 14
2.2.3 實施方式與使用步驟 14
2.2.4 試件制備 15
2.2.5 試驗方案及方法 15
2.2.6 試驗結(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裝置研制與試驗 17
2.3.1 研制目的和意義 17
2.3.2 裝置研制 18
2.3.3 使用步驟及計算公式 20
2.3.4 試驗方法和過程 21
2.3.5 試驗結(jié)果分析 24
2.4 低溫試驗設(shè)備的改進和電阻率測試方法 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 37
2.5.1 低溫巖石蠕變試驗過程介紹 37
2.5.2 凍融腐蝕作用后巖石蠕變試驗結(jié)果分析 39
2.6 飽水裂隙片巖超聲試驗及損傷斷裂機制研究 48
2.6.1 試件制備及試驗設(shè)備 48
2.6.2 試驗方法 49
2.6.3 試驗結(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研究 54
2.7.1 試驗過程 54
2.7.2 試驗結(jié)果及分析 55
2.7.3 滲流機理數(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)律試驗研究 65
2.8.1 蠕變滲流耦合加卸載試驗 65
2.8.2 試驗結(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)值計算及驗證 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 試驗驗證 146
4.3.4 數(shù)值驗證 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算 166
5.2.1 滲流運動和連續(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)值計算 175
5.5 大連近海過河段隧道工程的耦合計算 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)溶液腐蝕機理 193
6.3 基于經(jīng)驗公式法的巖石損傷MHC耦合模擬 194
6.3.1 基于經(jīng)驗公式法的水化學(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)動力學(xué)的損傷MHC耦合程序及數(shù)值計算 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)指標定量評價方法 210
7.2.1 單元狀態(tài)指標的推導(dǎo) 210
7. 7.2 單元狀態(tài)指標在FLAC3D中的實現(xiàn) 215
7.3 ZSI在典型巖土工程問題中的驗證 218
7.3.1 邊坡問題的驗證 218
7.3.2 拉伸破壞模擬驗證 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 計算參數(shù)和開挖步驟 224
7.4.5 計算結(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 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 240
8.4.4 黏塑性部分表達 241
8.4.5 塑性部分表達 245
8.4.6 NNS模型的二次開發(fā) 246
8.5 NNS模型的模型驗證與應(yīng)用 248
8.5.1 彈塑性特性驗證 248
8.5.2 黏彈性特性驗證 249
8.5.3 黏彈塑性特性驗證 250
8.5.4 陳家店隧道時效變形的數(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模型試驗驗證 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 278