岩石损伤多场耦合机理与数值模型研究

岩石力学,损伤（力学）,研究

　　随着我国大量岩体工程建设的进行，应力-渗流-化学耦合问题日益引起学者的关注。《岩石损伤多场耦合机理与数值模型研究》从岩石损伤多场耦合作用机理出发，首先进行相关试验设备的研制或改进，开展岩石冻胀损伤测试、化学腐蚀-冻融循环岩石蠕变、化学腐蚀环境下贯通裂隙板岩的渗透特性、加卸载条件下石英岩蠕变-渗流耦合等试验研究；然后建立岩石弹塑性损伤本构模型和损伤应力-渗流-化学耦合方程，基于完全隐式积分算法-返回映射算法及一致切线模量，采用 C 语言开发了有限元求解程序；*后推导出围岩局部安全评价的单元状态指标的公式，建立多场耦合条件下岩体工程的时效安全性评价算法，并介绍在相关隧道工程中的应用。

目 录
前言
第1章 绪论 1
1.1 岩石损伤力学与本构模型研究现状 1
1.2 岩石损伤多场耦合机理研究现状 3
1.3 岩石损伤MHC耦合数值算法研究现状 6
1.4 弹塑性本构积分算法研究进展 7
1.5 隧道围岩安全性评价研究 11
1.6 本书研究工作 12
第2章 岩石损伤多场耦合机理试验研究 13
2.1 引言 13
2.2 含水岩石冻胀损伤测试装置研制与试验 13
2.2.1 研制目的和意义 13
2.2.2 装置研制 14
2.2.3 实施方式与使用步骤 14
2.2.4 试件制备 15
2.2.5 试验方案及方法 15
2.2.6 试验结果分析 16
2.3 环向渗流一应力耦合下岩石渗透性试验装置研制与试验 17
2.3.1 研制目的和意义 17
2.3.2 装置研制 18
2.3.3 使用步骤及计算公式 20
2.3.4 试验方法和过程 21
2.3.5 试验结果分析 24
2.4 低温试验设备的改进和电阻率测试方法 31
2.4.1 三轴流变仪介绢 31
2.4.2 低温三轴蠕变电阻率测试方法 33
2.4.3 低温环境下岩石蠕变的电阻率响应 34
2.5 化学腐蚀一冻融循环岩石蠕变试验 37
2.5.1 低温岩石蠕变试验过程介绍 37
2.5.2 冻融腐蚀作用后岩石蠕变试验结果分析 39
2.6 饱水裂隙片岩超声试验及损伤断裂机制研究 48
2.6.1 试件制备及试验设备 48
2.6.2 试验方法 49
2.6.3 试验结果及分析 49
2.7 化学腐蚀环境下贯通裂隙板岩的渗透特性试验研究 54
2.7.1 试验过程 54
2.7.2 试验结果及分析 55
2.7.3 渗流机理数值模拟分析 61
2.8 加卸载条件下石英岩蠕变一渗流耦合规律试验研究 65
2.8.1 蠕变渗流耦合加卸载试验 65
2.8.2 试验结果及分析 67
2.9 本章小结 71
第3章 岩石弹塑性损伤MHC耦合机理及程序框架搭建 74
3.1 引言 74
3.2 岩石弹塑性损伤MHC耦合作用机理 74
3.3 岩石弹塑性损伤MHC耦合控制方程 76
3.3.1 应力场方程 76
3.3.2 渗流场方程 76
3.3.3 力学损伤场方程 77
3.3.4 水化学场方程 77
3.3.5 座力应变与渗透性关系方程 78
3.3.6 力学场与化学场损伤变量的耦合方程 78
3.4 岩石弹塑性损伤MHC耦合程序框架搭建 79
3.4.1 面向对象程序设计思想 80
3.4.2 解耦策略与方法 80
3.4.3 耦合程序组织框架 81
3.4.4 主控力学程序结构 81
3.5 弹塑性本构积分算法一完全隐式返回映射算法 86
3.5.1 一般弹塑性本构方程 86
3.5.2 完全隐式返回映射算法求解弹塑性本构方程 88
3.6 基于von Mises本构模型的求解程序 89
3.6.1 von Mises模型的一致切线模量 89
3.6.2 各向同性非线性应变硬化 90
3.6.3 算例验证 91
3.7 基于Drucker-Prager本构模型的求解程序 94
3.7.1 Drucker-Prager本构模型的完全隐式返回映射算法 94
3.7.2 程序开发流程 97
3.7.3 地基问题的求解 99
3.7.4 边坡问题的求解 103
3.8 基于DE算法的智能反分析程序开发 105
3.8.1 差异进化算法原理 106
3.8.2 智能位移反分析程序编制 107
3.8.3 弹塑性力学参数反演 109
3.8.4 损伤参数反演 117
3.9智能反分析程序的工程应用 120
3.9.1 工程概况 120
3.9.2 力学参数反演 122
3.10 本章小结 125
第4章 岩石弹塑性损伤本构模型建立及其数值求解程序 126
4.1 引言 126
4.2 岩石应变软化本构模型建立及NR-AL法求解研究 127
4.2.1 岩石材料应力应变全过程关系 127
4.2.2 建立应变软化本构模型 128
4.2.3 增量有限元方程的NR-AL法迭代求解 129
4.2.4 程序编制 132
4.2.5 数值计算及验证 134
4.3 基于修正有效应力原理的岩石弹塑性损伤本构模型建立 137
4.3.1 岩石弹塑性损伤本构模型建立 137
4.3.2 损伤本构模型数值求解过程 140
4.3.3 试验验证 146
4.3.4 数值验证 147
4.4 Lemaitre等向硬化弹塑性损伤耦合本构模型积分算法及程序实现 150
4.4.1 基于热力学原理的弹塑性损伤耦合本构模型 151
4.4.2 等向硬化弹塑性损伤耦合模型 154
4.4.3 等向硬化弹塑性损伤耦合模型积分算法 155
4.4.4 缺口圆棒求解 158
4.5 岩石损伤本构程序在抚松隧道工程中的应用 159
4.5.1 工程概况 159
4.5.2 有限元模型建立 161
4.5.3 损伤参数反演 161
4.5.4 数值模拟及分析 161
4.6 本章小结 164
第5章 岩石弹塑性损伤MH耦合模型建立及其数值求解程序 165
5.1 引言 165
5.2 渗流基本理论及渗流有限元程序计算 166
5.2.1 渗流运动和连续性方程 166
5.2.2 稳定渗流微分方程及定解条件 168
5.2.3 渗流程序计算 168
5.3 岩石弹塑性损伤MH耦合模型建立 170
5.3.1 岩石力学场方程 170
5.3.2 地下水渗流场方程 171
5.3.3 损伤变量与演化方程 171
5.3.4 岩石损伤过程中渗透性变化特征 172
5.4 耦合模型数值求解与分步迭代法 172
5.4.1 弹塑性损伤MH耦合迭代求解 172
5.4.2 数值计算 175
5.5 大连近海过河段隧道工程的耦合计算 182
5.5.1 工程概况 183
5.5.2 讦算模型与损伤参数反演 185
5.5.3 计算工况及结果分析 186
5.6 本章小结 192
第6章 岩石弹塑性损伤MHC耦合模型及其数值求解程序 193
6.1 引言 193
6.2 水化学溶液腐蚀机理 193
6.3 基于经验公式法的岩石损伤MHC耦合模拟 194
6.3.1 基于经验公式法的水化学损伤变量 194
6.3.2 受荷损伤变量及演化方程 195
6.3.3 岩石MHC耦合损伤变量 196
6.3.4 数值模拟 196
6.4 岩石水化学损伤演化数值模拟基础 199
6.4.1 质量作用定律 200
6.4.2 活度与离子强度 200
6.4.3 溶解和沉淀 200
6.4.4 化学反应速率方程 201
6.5 岩石水化学损伤动态演化数值模拟 201
6.5.1 水文地球化学模拟软件PHREEQC 201
6.5.2 水化学损伤变量及演化方程 202
6.5.3 数值模拟 203
6.6 基于化学动力学的损伤MHC耦合程序及数值计算 204
6.6.1 岩石弹塑性损伤MHC耦合程序实现 204
6.6.2 数值模拟 206
6.7 本章小结 208
第7章 基于ZSI的围岩安全性MH耦合数值模拟 210
7.1 引言 210
7.2 单元状态指标定量评价方法 210
7.2.1 单元状态指标的推导 210
7. 7.2 单元状态指标在FLAC3D中的实现 215
7.3 ZSI在典型岩土工程问题中的验证 218
7.3.1 边坡问题的验证 218
7.3.2 拉伸破坏模拟验证 219
7.4 基于ZSI的盾构隧道MH耦合模拟分析 221
7.4.1 FLAC3DMH耦合数值模拟理论 221
7.4.2 MH耦合过程的渗透系数变化 222
7.4.3 数值模型的建立 223
7.4.4 计算参数和开挖步骤 224
7.4.5 计算结果与分析 225
7.5 本章小结 230
第8章 非线性损伤流变MH耦合模型及程序开发 231
8.1 引言 231
8.2 岩石蠕变损伤模型 231
8.2.1 西原模型简介 232
8.2.2 NNS模型蠕变特性 232
8.2.3 NNS模型蠕变方程的分段函数表达 234
8.3 NNS模型参数确定方法 236
8.3.1 胡克体参数的确定 236
8.3.2 开尔文体和黏性体参数的确定 236
8.3.3 塑性参数的确定 237
8.4 非线性西原软化蠕变模型的二次开发 239
8.4.1 FLAC3D的二次开发方法 239
8.4.2 NNS模型的差分公式 239
8.4.3 弹性和黏弹性部分表达 240
8.4.4 黏塑性部分表达 241
8.4.5 塑性部分表达 245
8.4.6 NNS模型的二次开发 246
8.5 NNS模型的模型验证与应用 248
8.5.1 弹塑性特性验证 248
8.5.2 黏弹性特性验证 249
8.5.3 黏弹塑性特性验证 250
8.5.4 陈家店隧道时效变形的数值模拟分析 252
8.6 基于ZSI的蠕变一渗流非线性ZNS模型 259
8.6.1 ZNS模型的提出 259
8.6.2 ZNS模型试验验证 260
8.6.3 ZNS模型在大连地铁的应用 262
8.7 本章小结 277
叁考文献 278