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温度—水—应力下开挖扰动区裂隙花岗岩体流变过程研究及细胞自动机模拟

作　者: 黄小华
导　师: 冯夏庭
学　校: 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）
专　业: 岩土工程
关键词: 温度-水-应力作用裂隙岩体花岗岩结构面流变特性细胞自动机粘弹组合模型长期稳定性分析常体积模量假设常泊松比假设
分类号: TU452
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着水工隧洞、公路隧道、核废料地下处置、能源储备和资源开发等越来越向深部发展,而深部岩体所处的特殊环境,即高地应力、高地温和高岩溶水压,使得岩体的性质发生了巨大的变化,工程灾害也日趋增多,对深部围岩的长期稳定性造成了巨大的威胁。因此研究温度-水-应力(THM)等赋存环境下岩体的流变力学行为势在必行。这将不仅丰富和拓宽工程力学学科的研究内容,而且可以为实际岩石工程提供有意义的成果。本文围绕THM作用下裂隙岩体流变力学行为这一基本问题,以正在进行的国际合作项目DECOVALEX-THMC (Task B)为背景,采用不连续模型的细胞自动机方法对开挖扰动区裂隙花岗岩体流变行为开展了较为深入的基础和应用研究,主要工作如下:(1)三维流变模型参数方面基于一维应力状态,从三维蠕变方程出发,提出了三维粘弹组合模型参数的两种确定方法。并从理论上建立了广义Kelvin模型在两种常用假设下三维模型参数与一维模型相应量之间的变换表达式。提出了三维广义Maxwell模型参数的确定思路及方法,且证明了它的有效性。给出了鲍埃丁-汤姆森模型在两种常用假设下三维模型参数与一维模型参数之间的变换表达式。(2)广义流变模型的等效性及其基本性质方面利用拉氏变换以及蠕变柔量的定义,提出了求解广义Maxwell模型和Wiechert体蠕变柔量的方法及其具体表达式,在此基础上证明了4组常见广义流变模型的等效性,建立了广义Maxwell模型与Kelvin链相互转换的表达式。同时还得到了广义Maxwell模型和Kelvin链等广义流变模型的一个基本性质。该性质可作为这类广义流变模型描述现实材料粘弹性行为的一个实用判据。并用实例验证了本文蠕变柔量的求解方法和基本性质。(3) THM作用下完整花岗岩及结构面流变模型方面基于THM耦合作用下流变孔隙介质模型,根据花岗岩流变试验资料和DECOVALEX-THMC(Task B)项目特点,提出了简化的THM作用下花岗岩流变模型及其控制场方程。基于极限概念,导出了平面应变条件下THM作用的结构面流变模型,给出了考虑温度和水对结构面影响的方程。当采用节理单元模拟结构面的力学特性时,一般会存在五种独特的变形模式,初步实现了用带厚度Goodman节理单元来处理自身的这五种变形模式,推导了相应的本构关系,给出了其数值模拟的实现方法。由于节理单元的几何形态比较特殊,其物理量在整体和局部坐标系下的转换存在着自身特点,系统地推导了节理单元常见物理量的坐标转换关系。并证明了当从局部坐标系转换到整体坐标系时,无论Goodman节理单元是否带厚度,其刚度矩阵的坐标转换公式与Sharma and Desai薄层单元的刚度坐标转换公式在形式上并无差异。(4)细胞自动机方面根据细胞自动机的基本原理,结合粘性理论建立了二维细胞自动机蠕变模型,引入带厚度Goodman节理单元,开发了THM作用下裂隙岩体流变过程的细胞自动机数值分析系统VEPCA。并通过实例进行了验证,结果表明该程序是准确的、合理的。(5) THM作用下开挖扰动区裂隙花岗岩体流变过程的数值模拟方面将自主开发的细胞自动机VEPCA应用于DECOVALEX项目的开挖扰动区BMT模拟研究,详细分析了从开挖回填直至100万年WB模型内应力和位移分布及其演化过程。将WB的VEPCA模拟分为弹性分析和流变分析两部分。在弹性分析部分,给出了使用GJE1型和GJE2型节理单元来模拟WB模型中裂隙的计算结果,对由模型所导出的嵌入问题(违背相容条件的)和具有张开位移的但同时在张开处还存在拉应力问题(与物理实际相悖的)进行了探讨,指出它们产生的原因,并给出其解决的办法。在流变分析部分,基于GJE2型弹性节理单元,考虑岩体的流变特性,建立了GJE3型流变节理单元,并将该流变节理单元用于WB模型中的裂隙模拟。获得的流变分析结果可为开挖扰动区的稳定性评价提供有益的参考。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-29
  1.1 选题依据和研究意义  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-22
    1.2.1 岩体温度-水-应力耦合过程研究现状  14-17
    1.2.2 岩体流变的数值方法及研究现状  17-21
    1.2.3 细胞自动机的应用研究现状  21-22
  1.3 有待进一步研究的问题  22-23
  1.4 本研究的项目背景  23-24
  1.5 研究内容及研究思路  24-27
  1.6 论文的章节安排  27-29
第二章细胞自动机在固体力学中的应用  29-44
  2.1 细胞自动机理论简介  29-34
    2.1.1 细胞自动机的定义  29
    2.1.2 细胞自动机的构成  29-32
    2.1.3 细胞自动机的一般特征  32-33
    2.1.4 几种典型的细胞自动机模型  33-34
  2.2 细胞自动机模型用于力学分析的可行性及优点  34-35
  2.3 细胞自动机的力学分析模型（平面实体细胞自动机）  35-42
    2.3.1 细胞空间  35
    2.3.2 细胞以及细胞状态的定义  35-36
    2.3.3 邻居  36
    2.3.4 平面实体细胞自动机的更新规则  36-42
  2.4 本章小结  42-44
第三章三维流变模型的参数确定  44-89
  3.1 三维假设下粘弹组合模型参数的确定方法  45-49
    3.1.1 包含三维假设的一维蠕变方程  46-48
    3.1.2 三维假设下粘弹组合模型参数的确定方法  48-49
  3.2 三维广义Kelvin 模型及其参数的确定  49-55
    3.2.1 常规建模方式下广义Kelvin 模型  50
    3.2.2 常泊松比假设下广义Kelvin 模型  50-51
    3.2.3 常体积模量假设下广义Kelvin 模型  51-53
    3.2.4 算例不同处理方式下标准线性固体的模型参数  53-55
  3.3 广义粘弹组合模型的等效性及其基本性质  55-71
    3.3.1 广义Maxwell 模型的流变方程及其蠕变柔量  57-60
    3.3.2 方程Q|-(s) = 0 根的讨论  60-65
    3.3.3 其他广义流变模型的等效性  65-67
    3.3.4 典型模型的等效性  67-69
    3.3.5 基本性质的验证  69-70
    3.3.6 算例  70-71
  3.4 方法验证--以复合固体火箭推进剂拉伸蠕变柔量计算为例  71-78
    3.4.1 松弛模量E(t) 的Prony 级数与Wiechert 体的等效性  72-73
    3.4.2 Wiechert 体流变方程及其蠕变柔量  73-76
    3.4.3 算例  76-78
  3.5 三维广义Maxwell 模型及其参数确定  78-84
    3.5.1 问题与对策  78-79
    3.5.2 三维假设下鲍埃丁-汤姆森模型及其参数  79-84
  3.6 三维粘塑性模型中参数的确定方法  84-86
  3.7 本章小结  86-89
第四章 THM 作用下花岗岩流变行为及其细胞自动机模拟  89-132
  4.1 温度-水-应力耦合孔隙介质流变模型及其控制方程  89-92
    4.1.1 应力平衡方程  90-91
    4.1.2 水连续性方程  91
    4.1.3 能量守恒方程  91-92
  4.2 温度-水-应力作用下花岗岩流变模型及其控制方程  92-96
    4.2.1 温度-水-应力作用下花岗岩流变模型  92-94
    4.2.2 温度-水-应力作用下花岗岩流变平衡控制方程  94-96
  4.3 常泊松比假设下粘弹模型三维蠕变方程  96-106
    4.3.1 算子代换法与粘弹对应原理形式上的差异  96-104
    4.3.2 算子代换法与粘弹对应原理实质上的统一  104
    4.3.3 算例  104-106
  4.4 常体积模量假设下粘弹模型三维蠕变方程  106-107
    4.4.1 常体积模量假设下粘弹模型三维蠕变方程  106
    4.4.2 常体积模量假设下标准线性固体的三维粘弹应变增量表达式  106-107
  4.5 标准线性固体在两种假设下的统一形式  107-109
  4.6 温度-水-应力作用下西原模型计算原理  109-118
    4.6.1 粘弹性应变增量和应力增量的关系  109-110
    4.6.2 粘塑性应变增量和应力增量的关系  110-111
    4.6.3 Mohr-Coulomb 屈服准则下H_(ijkl) 的张量形式  111-115
    4.6.4 Mohr-Coulomb 屈服准则下H_(ijkl) 的矩阵表达  115-117
    4.6.5 Mohr-Coulomb 屈服准则角点的处理  117-118
  4.7 温度-水-应力作用下花岗岩流变行为的细胞自动机模拟  118-130
    4.7.1 程序设计  118-120
    4.7.2 算例验证  120-130
  4.8 本章小结  130-132
第五章 THM 作用下结构面流变行为及其细胞自动机模拟  132-163
  5.1 温度-水-应力作用下结构面流变模型  133-137
  5.2 Goodman 节理单元的变形模式  137-143
    5.2.1 粘结与嵌入模式  138-140
    5.2.2 张开以及张开受压后重新接触  140-141
    5.2.3 滑移  141-142
    5.2.4 考虑温度和孔隙水压力的影响  142-143
  5.3 节理单元物理量的坐标转换  143-150
    5.3.1 节理单元的位移  143-145
    5.3.2 节理单元的应变  145-146
    5.3.3 节理单元的应力  146-148
    5.3.4 节理单元的应变-位移关系  148
    5.3.5 节理单元的应力-位移关系  148
    5.3.6 节理单元的刚度矩阵  148-150
  5.4 温度-水-应力作用下结构面流变行为的细胞自动机模拟  150-159
    5.4.1 程序设计  150-153
    5.4.2 算例验证  153-159
  5.5 系统功能  159-161
  5.6 本章小结  161-163
第六章工程实例--THM 作用下开挖扰动区BMT 的VEPCA 模拟  163-190
  6.1 工程背景  163-164
  6.2 Wall-Block 模型  164-168
  6.3 温度-水-应力作用下WB 模型的弹性分析  168-184
  6.4 温度-水-应力作用下WB 模型的流变分析  184-188
  6.5 本章小结  188-190
第七章结论与展望  190-195
  7.1 结论  190-194
  7.2 展望  194-195
参考文献  195-208
附录1 蠕变过程的外载增量  208-209
附录2 张量的矩阵表达  209-224
附录3 等式证明：[B~J][T_u~(G→L)] =[T_u~(G→L)]~i[B~J]  224-226
博士期间参加的课题和发表论文  226-227
致谢  227

温度—水—应力下开挖扰动区裂隙花岗岩体流变过程研究及细胞自动机模拟

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