多维虚内键模型(VMIB)及其在岩体数值模拟中的应用

多维虚内键模型(VMIB, virtual multi-dimensional internal bonds)是在虚内键(VIB, virtual internal bond)理论基础上发展起来的一个多尺度力学模型. VIB理论认为固体材料在微观尺度上由随机分布的材料微粒(material particle)组成, 微粒之间由单一法向键连结; 而VMIB模型则在原VIB模型单一法向键基础上又引入了切向键用以约束微粒点对之间的相对转动自由度. 材料的宏观本构方程则由两种虚内键的刚度系数导出, 并在理论上证明了微观两种虚内键的刚度系数与宏观材料常数之间存在一一对应关系, 表明了在VMIB模型中增加切向键的充分性和必要性. 由于材料的断裂准则直接嵌入到本构方程中, 这使得VIB和VMIB模型在模拟材料断裂破坏方面有着较大的优越性. 岩体由于受到分布裂纹的切割作用, 宏观上表现为各向异性力学特征. 在岩体损伤模型中, 岩体裂纹的分布特征通常由损伤张量描述. 岩体在某一方向上的相对刚度大小决定于该方向上损伤值的大小. 在VMIB模型中, 微观虚内键的空间分布密度决定着材料宏观各方向上相对刚度的大小, 这与岩体损伤对岩体力学性能的影响是一致的. 文中在损伤张量与虚内键分布密度之间建立了定量关系, 将岩体等效为VMIB固体. 理论与试验结果表明, 这种等效的VMIB固体可以再现分布裂纹对岩体力学性能的影响, 这为进一步应用VMIB模型对岩体破坏行为进行数值模拟奠定了基础, 同时也为其他多裂纹体的数值计算提供一种新思路.     

扰动状态概念方法的参数标定及应用初探

扰动状态概念为工程材料提供统一的本构关系模拟方法．当材料受荷时，其响应是由处于相对完整状态下和处于完全调节状态下的材料响应以一个加权函数组合起来，构成材料的真实响应．响应和扰动因子是相互关联的，需要用直接迭代法求解．解决工程问题时，可以选择简单的参考状态，并用拟合岩石单轴受压的全过程应力应变关系曲线确定扰动因子的参数．该方法在描述材料软化阶段时效果会更好．     

基于虚内键模型的非均质岩石破坏数值模拟

将非均质性引入虚内键模型中,采用Monte Carlo方法对岩石的非均质性进行赋值,并对岩石试样的动态破坏过程进行数值模拟.结果表明,对于红砂岩而言,当非均质性系数m=5时,虚内键模型的模拟结果与试验结果具有较好的一致性.     

凝固时间和水泥标号对反射波法检测锚杆质量的影响

对反射波法检测砂浆锚杆的物理模型进行理论分析,得到了含阻尼系数的波动方程的解,并采用不同的水泥标号和凝固时间对阻尼的影响进行模拟试验.结果表明,在反射波法对锚杆质量检测的影响因素中,砂浆凝固强度对反射波的传播起主导作用,水泥标号的影响次之.     

基于Monte-Carlo法的冻土路基随机温度场分析

对青藏铁路沿线岩土热学参数进行统计分析,得出岩土的基本统计值及概率分布模式,采用基于Monte-Carlo法的随机有限元方法计算冻土区的路基随机温度场,得出随机温度场的均值和标准差.结果表明：路基的温度场均值和标准差分布趋势基本相似,且在路基上部和路基边坡面附近,其绝对值较大;温度的标准差在边界附近出现最大值,且沿边界向内而逐渐减小;在边界浅层区域,温度的标准差出现局部变化,到达一定深度后趋于稳定,并随着时间增加而增大,路基标准差区域从边界向内而逐渐扩大.     

岩质高陡边坡动力响应及失稳机制大型振动台模型试验研究

针对岩质高陡边坡动力响应和失稳机制问题,设计并完成了含不连续节理的岩质高陡边坡大型振动台模型试验.对主要岩性特征,采用水泥、沙、铁粉、黏土与混合剂配制岩体材料.对岩质边坡的不连续节理,在边坡内部按照一定的规律设置表面摩擦系数极低的特氟龙布.试验表明,含顺向不连续面的高陡岩质边坡地震作用下的破坏形态主要有三个阶段:裂缝开展,坡面剥落,崩塌滑动;主要滑动面沿特氟龙开展,发生在2/3坡高的位置;加速度响应沿坡面向上有明显放大,水平向加速度占主导;当地震烈度加大时,离坡尖越近,加速度放大效应越强.     

层状地基问题的辛几何本征解法

通过引入哈密顿体系，导出了横观各向同性层状半空间体的对偶方程组，将地基问题归结为哈密顿体系下的本征值和本征解问题.利用辛本征解空间的完备性，建立一套封闭的求解问题的方法.实现了欧几里德空间向辛几何空间的转换，从而使得分离变量及本征函数向量展开的解法得以实施，为地基的研究提供了一条新的途径.     

格构锚固结构与地基相互作用分析

为了研究格构锚固结构支挡加固松散土层效果,对格构锚固结构与地基土相互作用进行三维有限元模拟．研究松散土体在格构锚固结构作用下的变形及应力分布的变化规律,分析格构锚固结构的受力特征．结果表明,在格构锚固结构的作用下,滑坡体内部受到较均匀的压应力,土体强度提高,在纵横格构梁交叉的尖点处土体存在拉应力集中,塑性区的范围仅限于表层土;预应力锚索加固变形模量小的松散土层与加固变形模量大的岩体同样有效．格构梁的有限元模拟与解析解结果比较表明,按有限元解进行设计比较安全,若按解析解结果设计,建议乘以系数K=1．3．建议格构梁的纵横梁不论是中间梁还是边梁均采用统一的设计方案．     

岩石破坏全过程的CT细观损伤演化机理动态分析

利用最新研制的与CT机配套的专用加载设备,进行了三轴(单轴)荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的动态CT(Computerized Tomography)试验.得到了在不同荷载作用下岩石从微孔洞被压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏直到卸载等各个阶段清晰的CT图像.对得到的CT数等数据进行了分析,给出了应力损伤门槛值,得到损伤扩展的初步规律.     

中主应力对内嵌π平面裂纹扩展行为的影响

采用简化的增强虚内键(AVIB)本构模型,利用三维单元劈裂法对真三轴作用下内嵌π平面裂纹的扩展过程进行了数值模拟,得到了三维应力下内嵌裂纹的扩展模式和裂纹体强度变化规律.结果表明:在真三轴应力作用下,微裂纹从预置裂纹两侧开始起裂,沿着最大主应力方向扩展,形成一个倾斜的"马蹄形"包裹状裂纹,随着中主应力的增加,"马蹄形"包裹状裂纹逐渐向中主应力方向发生扭转;当中主应力较小时(约小于单轴强度的50%),裂纹体峰值强度随中主应力的增加几乎呈线性增长;当中主应力增至一定值时(约为单轴抗压强度的80%),裂纹体峰值强度达到最大,随后三轴抗压强度随着中主应力的增加而减小.文中的研究结果为高地应力作用下的内嵌平面裂纹扩展规律的分析提供了有意义的参考.