论文部分内容阅读
当前重大工程的计算分析基本上还停留在单一的宏观尺度上,无法完整地再现结构的失效路径、临界状态和破坏前兆。本文以多孔岩土材料为研究对象,在前人研究的基础上,通过二次分析的方法来构建多尺度数值计算,将宏观结构模型上计算分析得到的结构内力输出,作为外力施加于微观尺度计算中的局部细节模型,以同时进行结构的宏观分析和微观演化研究。论文建立了固一液一气三相耦合状态下的本构方程,设计了多孔介质弹塑性变形的半隐式返回映射算法,利用编制的大型计算程序,以多孔泥质页岩隧道为研究对象,探讨了渗水作用下,多孔土体质的软弱围岩隧道发生变形的内涵以及变形特征,其主要成果有:
(1)定义了多尺度随机场的新方法,描述了最优尺度下土体的两个属性参数(不排水抗剪强度和杨氏模量)的累计密度方程和空间相关系数;利用单元划分技巧和同步信息传递技术构建了一个多尺度下随机场与有限元的耦合框架。
(2)基于非线性连续力学以及混沌理论,建立了多孔介质中,三相形变和应变集中的数学和力学本构模型。从质量守恒、动量守恒和能量守恒三大物理定律出发,建立了固-液-气三相耦合本构模型;并从有效应力σ*与固相矩阵形变ε、饱和度Sγ与吸力s、三相状态中固有质量密度与固有压力Pα以及相关联的流动法则与固有压力之间的发展方程这四个方面,详细阐述了本构关系模型;基于达西定律,进行了本构模型孔隙水压力的修正,通过Piola转换,得到了相关流体向量的拉格朗日完全形式。
(3)提出了一个用于进行弹塑性模型求解的半隐式映射算法,这种算法的半隐式特征在于保留材料塑性内部变量的积分部分,提前将前期的塑性状态“冻结”在塑性模型中,然后隐式地整合应力和塑性参数。当每实现一次收敛,塑性变形的内部变量就会进行一次递增,并给出了在有限元程序中实现的算法流程图。
(4)基于多尺度模型及算法,对某多孔渗水隧道的变形进行二维数值模拟,得到了围岩变形的规律和应力特征。论述了隧道变形的机理,系统地探讨了软弱泥质页岩隧道的变形破坏成因、变形破坏特点、失稳破坏机理和破坏形式,得出了多孔介质隧道围岩的破坏机理,即多孔结构在渗水环境下的损伤扩容、剪胀引起隧道的收敛变形。