›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (4): 1147-1158.doi: 10.16285/j.rsm.2015.04.032

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

岩石弹塑性损伤本构模型建立及在隧道工程中的应用

王军祥1, 2,姜谙男1, 2   

  1. 1. 大连海事大学 道路与桥梁工程研究所,辽宁 大连 116026;2. 大连海事大学 辽宁省公路工程重点实验室,辽宁 大连 116026
  • 收稿日期:2013-11-21 出版日期:2015-04-11 发布日期:2018-06-13
  • 通讯作者: 姜谙男,男,1971年生,博士,教授,主要从事岩土工程稳定性分析和多场耦合方面的研究工作。E-mail: jiangannan@163.com E-mail:w.j.xgood@163.com
  • 作者简介:王军祥,男,1985年生,博士研究生,主要从事岩石多场耦合机制及数值模拟方面的研究工作
  • 基金资助:

    国家自然科学基金项目(No. 51079010);中央高校基本科研业务费专项资金项目(No. 2013YB03,No. 3132013315);大连市交通科技项目(No.2011-10);吉林省交通厅交通运输科技项目(No. 2012-1-6)。

An elastoplastic damage constitutive model of rock and its application to tunnel engineering

WANG Jun-xiang1, 2,JIANG An-nan1, 2   

  1. 1. Institute of Road and Bridge Engineering, Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning 116026, China; 2. Key Laboratory of Highway Engineering of Liaoning Province, Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning 116026, China
  • Received:2013-11-21 Online:2015-04-11 Published:2018-06-13

摘要: 在实际隧道施工过程中,隧道开挖引起地下岩体应力重分布使得围岩的微裂纹扩展损伤,并伴随有塑性流动变形。在地下水环境中对于孔隙和微裂隙围岩介质受到应力作用时,在内部将产生高孔隙水压力影响岩石的力学性质,也改变了围岩的破坏模式。为了研究损伤引起的刚度退化和塑性导致的流动两种破坏机制的耦合作用,从弹塑性力学和损伤理论的角度出发,同时引入修正有效应力原理来考虑孔隙水压力的作用,建立基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性损伤本构模型;针对该本构模型推导了孔隙水压力作用下弹塑性损伤本构模型的数值积分算法-隐式返回映射算法,分别对预测应力返回到屈服面的光滑圆锥面或尖点奇异处两种可能的情况给出了详细的描述,隐式返回映射算法具有稳定性和准确性的特点;大多数弹塑性损伤模型中涉及参数多且不易确定的问题,采用反分析方法获得损伤参数,解决了损伤参数不易确定的难题;采用面向对象的编程方法,使用C++语言编制了弹塑性损伤本构求解程序,并对所建立的弹塑性损伤模型和所编程序进行了试验和数值两个方面的验证;最后将其在吉林抚松隧道工程中进行应用,模拟了塑性区和损伤区的发展变化。研究结果表明:所建立的弹塑性损伤本构模型能够较好地描述岩石的力学性能、塑性和损伤变化趋势,所编程序能够进行实际工程问题的模拟,对现场施工给予一定的指导。

关键词: 孔隙水压力, 弹塑性损伤本构模型, 修正有效应力原理, Drucker-Prager屈服准则, 隐式返回映射算法, 反分析方法

Abstract: In practical tunnel construction, the stress redistribution of underground rocks caused by tunneling usually leads to microcrack-expansion damage in the surrounding rock, with accompanied plastic flow deformation. The high pore water pressure is generated in the pores of rock and microcracks under stressed conditions in groundwater environment, which in turn influences the mechanical properties and the changes of the failure modes of the surrounding rock. To investigate the coupling effect of two types of failure mechanisms which are the damage-induced stiffness degradation and the plasticity-driven flow. based on the elastoplastic and damage theories, the modified effective stress principle is adopted to consider the effects of pore water pressure, and then an elastoplastic damage constitutive model is developed adopting the Drucker-Prager yield criterion. To implement this model, a numerical integration algorithm-implicit return mapping algorithm is developed with considering the effect of pore water pressure, and the detail descriptions of the implicit return mapping algorithm about the trial stress returning to the smooth cone surface or sharp point singularity on the yield surface are given. The implicit return mapping algorithm has good performance with regard to stability and accuracy. The set of parameters related to elastoplastic damage models is large and not easily determined. To resolve this issue, a back analysis method is introduced. The elastoplastic damage constitutive model is implemented by adopting the method of object-oriented programming using C++ language. The proposed model and the computational procedure are validated by comparing the numerical simulations to the experimental measurements. The proposed procedure is applied to Jilin Fusong tunnel project to analyze the development of the plastic zone and the damage zone. The results show that the proposed elastoplastic damage constitutive model can well describe the mechanical behavior of the rock, and the computational procedure can simulate the practical engineering problems, giving certain guidance for site construction.

Key words: pore water pressure, elastoplastic damage constitutive model, modified effective stress principle, Drucker-Prager yield criterion, implicit return mapping algorithm, back analysis method

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[1] 吴琪, 丁选明, 陈志雄, 陈育民, 彭宇, . 不同地震动强度下珊瑚礁砂地基中桩-土-结构 地震响应试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 571-580.
[2] 刘忠玉, 夏洋洋, 张家超, 朱新牧. 考虑Hansbo渗流的饱和黏土 一维弹黏塑性固结分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 11-22.
[3] 于丽, 吕城, 段儒禹, 王明年, . 考虑孔隙水压力及非线性Mohr-Coulomb破坏准则下浅埋土质隧道三维塌落机制的上限分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 194-204.
[4] 张治国, 黄茂松, 杨 轩, . 基于衬砌长期渗漏水影响的隧道施工扰动 诱发超孔隙水压消散及地层固结沉降解[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 3135-3144.
[5] 贺桂成, 廖家海, 李丰雄, 王 昭, 章求才, 张志军. 水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1663-1672.
[6] 汪华斌, 李建梅, 金怡轩, 周 博, 周 宇, . 降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题 的解决方法[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 777-784.
[7] 黄朝煊. 塑料排水板处理地基非线性固结计算研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(12): 4819-4827.
[8] 尹晓萌, 晏鄂川, 刘旭耀, 李兴明, . 土体稳定性计算中地下水作用力探讨[J]. 岩土力学, 2019, 40(1): 156-164.
[9] 赵建军,余建乐,解明礼,柴贺军,李 涛,步 凡,蔺 冰,. 降雨诱发填方路堤边坡变形机制物理模拟研究[J]. , 2018, 39(8): 2933-2940.
[10] 张修照,巫尚蔚,张 超,杨春和,. 不同固结条件下尾矿动孔压演化规律[J]. , 2018, 39(3): 815-822.
[11] 王永洪,张明义,刘俊伟,白晓宇, . 超孔隙水压力对低塑性黏性土桩土界面抗剪强度的影响[J]. , 2018, 39(3): 831-838.
[12] 陈卫忠,马永尚,于洪丹,龚 哲,李香玲,. 泥岩核废料处置库温度-渗流-应力耦合参数敏感性分析[J]. , 2018, 39(2): 407-416.
[13] 刘忠玉, 张家超, 郑占垒, 关 聪. 考虑Hansbo渗流的二维Biot固结有限元分析[J]. 岩土力学, 2018, 39(12): 4617-4626.
[14] 刘世伟,盛 谦,朱泽奇,龚彦峰,崔 臻,李建贺,张善凯,. 隧道围岩内地下水渗流边界效应影响研究[J]. , 2018, 39(11): 4001-4009.
[15] 杨耀辉,陈育民,刘汉龙,李文闻,江 强, . 排水刚性桩群桩抗液化性能的振动台试验研究[J]. , 2018, 39(11): 4025-4032.
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[1] 张文杰,陈云敏. 垃圾填埋场抽水试验及降水方案设计[J]. , 2010, 31(1): 211 -215 .
[2] 宫伟力,安里千,赵海燕,毛灵涛. 基于图像描述的煤岩裂隙CT图像多尺度特征[J]. , 2010, 31(2): 371 -376 .
[3] 万 智,董 辉,刘宝琛. 基于正交设计下SVM滑坡变形时序回归预测的超参数选择[J]. , 2010, 31(2): 503 -508 .
[4] 谭峰屹,姜志全,李仲秋,颜惠和. 附加质量法在昆明新机场填料压实密度检测中的应用研究[J]. , 2010, 31(7): 2214 -2218 .
[5] 柴 波,殷坤龙,肖拥军. 巴东新城区库岸斜坡软弱带特征[J]. , 2010, 31(8): 2501 -2506 .
[6] 杨召亮,孙冠华,郑 宏. 基于潘氏极大值原理的边坡稳定性的整体分析法[J]. , 2011, 32(2): 559 -563 .
[7] 王光进,杨春和,张 超,马洪岭,孔祥云,侯克鹏. 超高排土场的粒径分级及其边坡稳定性分析研究[J]. , 2011, 32(3): 905 -913 .
[8] 胡海军,蒋明镜,赵 涛,彭建兵,李 红. 制样方法对重塑黄土单轴抗拉强度影响的初探[J]. , 2009, 30(S2): 196 -199 .
[9] 李 敏,柴寿喜,王晓燕,魏 丽. 以强度增长率评价麦秸秆加筋盐渍土的加筋效果[J]. , 2011, 32(4): 1051 -1056 .
[10] 徐 冲,刘保国,刘开云,郭佳奇. 基于粒子群-高斯过程回归耦合算法的滑坡位移时序分析预测智能模型[J]. , 2011, 32(6): 1669 -1675 .