基于双应力原理的饱和岩体本构模型及有限元程序开发

论文摘要

近年来,在“一带一路”战略以及十四五布局规划引领下,大体量复杂岩体工程项目逐渐增多,随之而来的技术难度增大。针对大尺度范围岩体工程的特点以及岩体研究现状,基于等效连续介质理论,从本构模型及其有限元程序开发两方面对含低序次裂隙系统岩体中最为典型的饱和多组节理岩体进行了研究。不仅完善了岩体本构理论体系,还为该类岩体工程数值分析及设计提供了一种新的计算模型,利于分析优化比对。首先,明确基于等效连续介质理论研究的前提是多组节理岩体可等效为多孔连续介质。通过对岩体单元的渗透性参数和力学性参数进行类常量和类张量判定,检验岩体REV的存在性,以此确认岩体是否可以等效为多孔连续介质,并以REV尺寸对应的岩体属性参数作为等效连续性参数。通过算例,展示了多组节理岩体等效连续性判定步骤,证明节理间距较密集均匀时,此类包含低序次裂隙系统的岩体可视作多孔连续介质进行研究。其次,克服以往饱和多孔介质本构理论中不能合理考虑固相基质变形的缺点。基于具有普适性的机械功守恒原理和工程混合物理论,通过推导和分析具有普适性质的饱和多孔介质体积变形功守恒方程,提出小应变条件下考虑基质压缩性的饱和多孔介质双应力原理,即Terzaghi有效应力唯一决定固相体积分数应变;固相基质压力唯一决定固相基质体应变;Terzaghi有效应力与固相基质压力共同决定固相体应变。双应力原理为可等效为多孔连续介质的饱和岩体本构模型的建立奠定了理论基础。再次,建立了泊松比随主应变变化的完整岩块损伤本构模型以及刚度随节理变形和节理应力变化的动态节理本构模型,讨论了节理变形对完整岩块的耦合损伤作用,通过整合获得多组节理岩体的非线性本构模型。利用混合物理论和双应力原理,探究了饱和多孔介质应力-渗流耦合作用,并综合多组节理岩体非线性本构模型特点,建立了饱和多组节理岩体本构模型。最后,鉴于大部分可由用户自定义材料的有限元软件（如ABAQUS的UMAT子程序）在计算岩土力学问题时,采用的本构模型都是基于有效应力原理而不考虑固流两相基质压缩变形。故为了运用双应力原理而开发新型有限元程序,由饱和多组节理岩体本构模型推导出岩体应力-渗流耦合基本方程,并利用Galerkin加权余量法和二元函数分部积分法进行处理,得到有限元方程和单元刚度矩阵,进行有限元程序开发。程序考虑了完整岩块和节理水压缩变形、岩体非线性以及应力-渗流耦合等因素,并被用以模拟深海岩体隧道开挖。数值分析结果表明,由提出的饱和岩体本构模型建立的有限元程序可以较真实地模拟非线性饱和岩体的工程响应,为设计施工提供借鉴。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 基于等效连续介质理论的岩体研究现状

1.2.1 基础性试验研究

1.2.2 等效连续介质理论

1.2.3 数值模拟

1.3 研究问题的提出

1.4 本文主要工作

1.4.1 本文主要的研究工作

1.4.2 本文研究思路和各章节逻辑结构

2 多组节理岩体等效连续性判定

2.1 引言

2.2 岩体等效渗透性判定

2.2.1 连续介质渗透系数张量

2.2.2 多组节理岩体渗透系数张量

2.2.3 多组节理岩体孔隙率

2.2.4 岩体等效渗透性参数判定

2.3 岩体等效力学性判定

2.3.1 多组节理岩体柔度矩阵

2.3.2 岩体等效力学性参数判定

2.4 算例分析

2.4.1 计算基本条件与本构模型参数

2.4.2 岩体等效渗透系数

2.4.3 岩体等效柔度矩阵

2.5 本章小结

3 基于双应力原理的饱和多孔介质体积本构模型

3.1 引言

3.2 饱和多孔介质的相关术语

3.3 饱和多孔介质本构关系的研究思路

3.4 基于变形功的有效应力力学机理研究和双应力原理

3.4.1 忽略固相基质变形的有效应力适用性分析

3.4.2 考虑固相基质变形的有效应力适用性分析

3.4.3 双应力原理

3.5 试验模拟和应用分析

3.5.1 Lade和De Boer饱和多孔介质等向压缩模型试验简介

3.5.2 基于双应力变量的饱和多孔介质体积本构方程推导

3.5.3 Biot系数变化规律

3.5.4 孔压系数变化规律

3.5.5 孔隙比和孔隙率变化规律

3.6 本章小结

4 饱和多组节理岩体本构模型

4.1 引言

4.2 完整岩块研究

4.3 单一节理研究

4.3.1 法向闭合、切向剪切和剪胀研究

4.3.2 动态节理刚度

4.4 岩体单元整合本构模型

4.4.1 整合本构模型

4.4.2 强度准则

4.4.3 算例分析

4.5 饱和多组节理岩体本构模型

4.5.1 饱和多孔介质应力-渗流耦合

4.5.2 饱和岩体应力-渗流耦合

4.6 本章小结

5 模型的有限元程序开发及应用

5.1 引言

5.2 岩体应力-渗流耦合基本方程

5.3 岩体应力-渗流耦合有限元法

5.4 有限元计算程序结构

5.5 工程案例分析

5.5.1 工程背景

5.5.2 建模及数值计算

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文结论

6.2 工作展望

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王超

导师: 胡亚元

关键词: 大尺度范围,等效连续介质理论,饱和多组节理岩体,混合物理论,双应力原理,非线性本构模型,应力渗流耦合,有限元程序开发

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 浙江大学

分类号: TU45

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.002437

总页数: 114

文件大小: 8214k

基于双应力原理的饱和岩体本构模型及有限元程序开发

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢