節(jié)理巖體細(xì)觀損傷模型的理論研究與數(shù)值方法.pdf

1、巖體在自然界中無處不在，是人類工程中不可避免的研究對象，如大壩、隧道、地下建筑、邊坡等等，無論地上地下都存在各種巖體工程問題有待解決。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，大型工程的大量出現(xiàn)，巖體所獨(dú)具的復(fù)雜特性越來越為眾多工程界的學(xué)者所關(guān)注。巖體本構(gòu)關(guān)系作為巖體問題中的核心問題，一直是一個(gè)難點(diǎn)，自然界中存在的巖體大都是不均勻而且不連續(xù)的，為其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的確定帶來很多麻煩。而對于結(jié)構(gòu)面廣泛分布，數(shù)量多而規(guī)模小的巖體，呈現(xiàn)出宏觀均勻狀態(tài)，利用細(xì)觀力學(xué)的均

2、勻化手段，可以有效地避免大量結(jié)構(gòu)面存在帶來建模和計(jì)算問題。本文以含有大量結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體為研究對象對象，將其視為宏觀連續(xù)均勻的材料，基于細(xì)觀力學(xué)結(jié)合宏觀熱力學(xué)原理，逐步推演得到了巖體的細(xì)觀損傷力學(xué)本構(gòu)，主要內(nèi)容如下：
　　1)建立了基于非關(guān)聯(lián)彈塑性原理三維結(jié)構(gòu)面模型。本文從結(jié)構(gòu)面的細(xì)觀輪廓著手，認(rèn)為結(jié)構(gòu)面的輪廓的起伏角是一個(gè)先升高后降低的曲線形式，而剪切摩擦使得結(jié)構(gòu)面的輪廓平滑，利用摩擦損耗功的指數(shù)函數(shù)表達(dá)了這種平滑結(jié)構(gòu)面輪廓的過

3、程。通過兩者相結(jié)合推導(dǎo)出更加合理的結(jié)構(gòu)面彈塑性本構(gòu)關(guān)系。所得到的三維模型和實(shí)際情況相符，更具合理性和應(yīng)用價(jià)值。推導(dǎo)了上述該模型的本構(gòu)積分算法。利用后退Eular方法，研究得到了本模型的隱式本構(gòu)積分算法，提高了計(jì)算的穩(wěn)定性，避免顯式算法在復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系條件下可能帶來的不穩(wěn)定。并且利用ABAQUS的用戶接口編制了有限元材料程序，便于計(jì)算。
　　2)給出了基于細(xì)觀力學(xué)理論的節(jié)理巖體本構(gòu)模型。節(jié)理巖體由于大量結(jié)構(gòu)面的存在，剛度要比完整的巖體

4、小很多。利用細(xì)觀力學(xué)，本文將結(jié)構(gòu)面作為一種圓盤夾雜鑲嵌在巖體中來求解節(jié)理巖體的復(fù)合變形模量，研究宏觀應(yīng)力應(yīng)變對內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的影響，在外界荷載作用下，結(jié)構(gòu)面可能會(huì)受拉張開，受壓緊閉，在受剪下滑移，但隨著滑移增大，結(jié)構(gòu)面會(huì)受到巖石的約束而停止滑移。為了用數(shù)學(xué)模型把這些結(jié)構(gòu)面的變形行為描述清楚，把結(jié)構(gòu)面的位移變化作為內(nèi)變量，按照Mori-Tanaka法，把細(xì)觀夾雜的變形和宏觀邊界條件聯(lián)系起來，不僅合理地描述了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)行為和巖體變形的關(guān)系，而

5、且能夠體現(xiàn)出由于結(jié)構(gòu)面受壓實(shí)剪切等作用產(chǎn)生的非線性變形行為。推導(dǎo)了上述該模型的本構(gòu)積分算法。利用后退Eular方法，研究得到了本模型的隱式本構(gòu)積分算法，提高了計(jì)算的穩(wěn)定性，避免顯式算法在復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系條件下可能帶來的不穩(wěn)定。并且利用ABAQUS的用戶接口編制了有限元材料程序，便于計(jì)算。
　　3)得到了節(jié)理巖體的細(xì)觀損傷模型。本文將在眾多學(xué)者研究工作的基礎(chǔ)上，將細(xì)觀損傷力學(xué)運(yùn)用到本項(xiàng)目研究中，視結(jié)構(gòu)面半徑為損傷變量，運(yùn)用宏觀熱力學(xué)原理

6、推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展損傷準(zhǔn)則，通過結(jié)合結(jié)構(gòu)面本構(gòu)模型和斷裂準(zhǔn)則，使得結(jié)構(gòu)面的變形、擴(kuò)展和巖體本身的宏觀應(yīng)力狀態(tài)聯(lián)動(dòng)耦合起來，提出了基于細(xì)觀損傷力學(xué)的節(jié)理巖體本構(gòu)模型。模型能夠很好地反映結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展長度，以及由于擴(kuò)展引起的結(jié)構(gòu)面位移等一系列細(xì)觀行為。從本質(zhì)上描述了結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展對巖體變形的影響。推導(dǎo)了上述該模型的本構(gòu)積分算法。利用后退Eular方法，研究得到了本模型的隱式本構(gòu)積分算法，提高了計(jì)算的穩(wěn)定性，避免顯式算法在復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系條件下可能帶來