基于内变量热力学的流变模型及岩体结构长期稳定性研究

发布时间：2017-09-16 13:10

  本文关键词：基于内变量热力学的流变模型及岩体结构长期稳定性研究

  更多相关文章： 内变量热力学 流变模型 非平衡演化 长期稳定性 评价指标

【摘要】：我国的水利水电工程建设、油气地下储存、煤炭和矿山开采等均涉及一系列世界级的岩石工程,其特点是工程规模巨大,地质条件复杂,工程扰动强烈。天然岩体受剧烈工程扰动后将表现出与时间相关的应力和变形重分布过程,直接影响岩体工程结构的正常运行、长期稳定和安全。本文基于内变量热力学理论,采用动态演化观点研究扰动岩体结构非平衡演化规律和岩体工程结构长期稳定性问题,重点对流变模型和长期稳定性分析方法开展研究。主要工作与创新性成果如下:(1)开展有基础处理的高拱坝三维地质力学模型试验,分析拱坝-坝基结构变形、破坏和整体稳定性。将有处理和无处理的模型试验结果进行对比分析,从应力、变形、破坏模式和超载安全系数等方面对基础处理的加固效果进行综合评价分析。(2)基于内变量热力学理论建立流变模型,对黏弹性蠕变本构方程和黏塑性蠕变本构方程中内变量的物理意义进行了深入探讨,通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验结果验证流变模型的正确性和合理性。(3)推导应力松弛本构方程。从材料内部结构动态演化的观点出发,解释蠕变和应力松弛的等价性,并揭示控制蠕变和松弛的同一物理力学机制,即阐明了两者的内在一致性问题。(4)基于Lyapunov第二类稳定方法分析材料系统的热力学稳定性,对不同类型时效变形所对应的热力学过程的性质和规律进行总结;分析在恒定荷载和位移边界条件下的结构非平衡演化规律及长期稳定性,并给出定量的长期稳定性评价指标和明确的稳定性判据。(5)基于FLAC3D的二次开发程序接口,将提出的流变模型开发为数值计算程序CTV-E和CTV-P,并应用于深埋地下洞室和锦屏一级左岸坝肩高边坡流变计算。计算得到能量耗散率的结构域积分Ω及其时间导数Ω与时间t的关系曲线(Ω-t和Ω-t曲线),并用于分析岩体结构的非平衡演化规律和长期稳定性。计算同时揭示了岩体结构在长期变形过程中的薄弱环节。
【关键词】：内变量热力学 流变模型 非平衡演化 长期稳定性 评价指标
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-29
• 1.1 工程背景与研究意义10-13
• 1.2 地质力学模型试验研究综述13-15
• 1.2.1 国内外模型试验研究现状13-14
• 1.2.2 关键技术研究及发展方向14-15
• 1.3 岩土工程结构稳定计算分析方法研究综述15-19
• 1.3.1 刚体极限平衡法16-17
• 1.3.2 极限分析有限元法17
• 1.3.3 能量法17-18
• 1.3.4 变形加固理论18-19
• 1.4 岩体工程结构长期稳定性研究综述19-27
• 1.4.1 岩体结构工程时效分析的数值方法19-20
• 1.4.2 流变模型研究20-25
• 1.4.3 岩石流变与损伤耦合的本构方程研究25-26
• 1.4.4 岩体工程结构长期稳定性评价26-27
• 1.5 本文的研究思路、主要工作和创新点27-29
• 1.5.1 研究思路和主要工作27-28
• 1.5.2 本文创新点28-29
• 第2章 大岗山拱坝地质力学模型试验29-62
• 2.1 本章引言29
• 2.2 大岗山水电站29-31
• 2.3 地质力学模型试验设计31-33
• 2.3.1 模型相似比尺31-32
• 2.3.2 模型相似材料32-33
• 2.3.3 模型模拟范围33
• 2.4 结构模拟33-40
• 2.4.1 裂隙岩体模拟33-35
• 2.4.2 拱坝坝体模拟35-36
• 2.4.3 软弱结构面模拟36-38
• 2.4.4 基础处理模拟38-40
• 2.5 模型试验系统40-43
• 2.6 试验结果及整体稳定性分析43-47
• 2.6.1 坝面应力分析43-44
• 2.6.2 坝面位移分析44-45
• 2.6.3 开裂破坏过程分析45-46
• 2.6.4 整体稳定性分析46-47
• 2.7 拱坝数值模拟及比对综合分析47-54
• 2.7.1 计算网格48-49
• 2.7.2 应力对比分析49
• 2.7.3 位移对比分析49-50
• 2.7.4 开裂破坏对比分析50-52
• 2.7.5 整体稳定综合分析52-54
• 2.8 加固效果分析与评价54-60
• 2.8.1 坝体应力影响54
• 2.8.2 变形影响54-56
• 2.8.3 破坏模式影响56-59
• 2.8.4 整体稳定性影响59-60
• 2.9 本章小结及展望60-62
• 第3章 基于内变量热力学理论的流变模型62-91
• 3.1 本章引言62
• 3.2 Rice内变量热力学理论62-68
• 3.2.1 正则结构62-66
• 3.2.2 正则结构的Lagrange公式66-67
• 3.2.3 多尺度热力学公式67-68
• 3.3 内变量流变模型68-72
• 3.3.1 分离宏观内变量68
• 3.3.2 蠕变的热力学解释68-69
• 3.3.3 模型本构方程的一般形式69-72
• 3.4 黏弹性本构方程及其基本性质72-75
• 3.4.1 黏弹性本构方程72-74
• 3.4.2 黏弹性内变量的物理意义74-75
• 3.5 黏塑性本构方程及其基本性质75-78
• 3.5.1 黏塑性本构方程75-77
• 3.5.2 方程基本性质77-78
• 3.6 单轴蠕变试验及模型验证78-90
• 3.6.1 试验材料和设备79-80
• 3.6.2 单轴蠕变加卸载试验80-82
• 3.6.3 黏弹性本构方程参数拟合82-85
• 3.6.4 黏塑性本构方程参数拟合85-89
• 3.6.5 方程参数敏感性分析89-90
• 3.7 本章小结90-91
• 第4章 蠕变与应力松弛的内在一致性91-98
• 4.1 本章引言91
• 4.2 应力松弛研究综述91-92
• 4.3 应力松弛本构方程92-94
• 4.4 蠕变和松弛的内在一致性94-96
• 4.5 本章结论96-98
• 第5章 岩体结构长期稳定性研究98-114
• 5.1 本章引言98-99
• 5.2 材料系统的热力学稳定分析99-102
• 5.3 蠕变的热力学性质102-109
• 5.3.1 黏弹性变形的热力学性质103-104
• 5.3.2 过渡蠕变阶段的热力学性质104-105
• 5.3.3 不考虑损伤蠕变过程的热力学性质105-106
• 5.3.4 考虑损伤蠕变过程的热力学性质106-109
• 5.3.5 蠕变过程中的材料稳定性109
• 5.4 岩体结构的长期稳定性109-113
• 5.5 本章小结113-114
• 第6章 基于FLAC~(3D)的自定义模型开发与应用114-148
• 6.1 本章引言114
• 6.2 内变量蠕变本构方程的中心差分形式114-121
• 6.3 流变模型的程序实现121-124
• 6.4 计算程序验证124-128
• 6.5 算例分析——深埋地下双隧洞128-134
• 6.6 工程实例——锦屏一级高拱坝左岸坝肩高边坡134-147
• 6.6.1 工程概况134
• 6.6.2 计算模型及流变参数134-137
• 6.6.3 结果分析137-147
• 6.7 本章结论147-148
• 第7章 结论与展望148-151
• 7.1 主要研究成果与结论148-149
• 7.2 研究展望149-151
• 参考文献151-164
• 致谢164-166
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果166-167

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