›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (9): 2708-2715.doi: 10.16285/j.rsm.2015.09.035

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

基于颗粒流程序的黏弹塑性本构模型开发与应用

杨振伟1,金爱兵1,王 凯1,孟新秋1,高玉娟2   

  1. 1. 北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083;2. 北京大学 前沿交叉学科研究院,北京 100083
  • 收稿日期:2015-01-30 出版日期:2015-09-10 发布日期:2018-06-13
  • 通讯作者: 金爱兵,男,1974年生,博士,副教授,主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。E-mail: jinaibing@vip.sina.com E-mail:yangzhenwei1989@163.com
  • 作者简介:杨振伟,男,1989年生,硕士研究生,主要从事岩石力学及数值计算等方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(No.51074014);中央直属高校基本科研业务费资助项目(No.FRF–SD–12–002A,No.FRF-TP-14-036A1)。

Development and application of a visco-elastoplastic constitutive model in particle flow code

YANG Zhen-wei1, JIN Ai-bing1, WANG Kai1, MENG Xin-qiu1, GAO Yu-juan2   

  1. 1. School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing 100083, China; 2. Academy for Advanced Interdisciplinary Studies, Peking University, Beijing 100083, China
  • Received:2015-01-30 Online:2015-09-10 Published:2018-06-13

摘要: 在深入研究西原体模型黏弹塑性特征的基础上,推导出不同塑性条件下的流变特性方程,并将其推广到离散单元法中,研究了颗粒间力与位移关系的数值积分方案,总结出颗粒流程序中接触本构模型开发方法,并基于二维颗粒流程序 (PFC2D)开发出具有黏弹塑性特征的西原体接触本构模型。通过两个互相接触的固定球体之间的应力松弛试验,分3种情况验证了模型编制的准确性。利用取自张家洼铁矿巷道内的岩石试样,通过单轴和三轴压缩试验获取计算参数,并进行了单轴压缩蠕变试验的模拟,通过与室内蠕变试验结果的对比,验证了PFC2D中自定义西原体模型用于岩石流变特性研究的可行性。利用西原体模型与线弹性模型对D型深埋巷道进行分析计算和破坏模式研究,结果显示,西原体模型预测结果与Hoek-Brown准则理论结果更为接近。在围岩蠕变作用下,巷道两帮变形量大于顶板和底板,破坏程度更为严重,计算结果与现场监测数据基本吻合。根据巷道长期稳定性的要求,提出着重支护两帮的治理建议。

关键词: 蠕变试验, 颗粒流程序, 西原体流变模型, 黏弹塑性, 流变特性, 巷道蠕变

Abstract: In this paper, rheological equations at different plastic conditions are derived on the basis of visco-elastoplastic Nishihara model, and then these equations are further implemented into discrete element method. By studying the numerical integral scheme of force-displacement relationship between particles, the methods for developing contact constitutive model in Particle Flow Code (PFC) are summarized. Thus a user defined visco-elastoplastic Nishihara contact constitutive model is proposed under PFC in 2 dimensions (PFC2D). Through stress relaxation experiments between two fixed balls, the accuracy of the developed model is verified for three cases. Numerical parameters are obtained by the uniaxial and triaxial compression experiments on rock specimens from underground roadway in Zhangjiawa Iron Mine, and then it is applied to simulate the uniaxial compressive creep experiment. The feasibility of Nishihara model in PFC2D for rock rheological properties is proved by comparing the results with experimental data, and then failure modes of a D-shaped roadway are investigated using Nishihara model and a linear-elastic model. Numerical results of Nishihara model are in good agreement with the theoretical result of Hoek-Brown strength criterion. The deformations of two sides are substantially greater than those of the top and bottom and the corresponding failures of two sides are more serious due to the creeping of wall rock. Numerical results, to large extent, agree with the field monitoring data. It is suggested that the support on both sides should be greatly strengthened for satisfying requirements of long-term stability.

Key words: creep experiments, particle flow code, Nishihara rheology model, visco-elastoplastic properties, rheological properties, creep of roadway

中图分类号: 

  • TU 452
[1] 王立业, 周凤玺, 秦虎, . 饱和盐渍土分数阶蠕变模型及试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 543-551.
[2] 雷江, 陈卫忠, 李翻翻, 于洪丹, 马永尚, 谢华东, 王富刚, . 引红济石引水隧洞围岩力学特性研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3435-3446.
[3] 储昭飞, 刘保国, 任大瑞, 宋宇, 马强, . 软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2172-2182.
[4] 曹 梦, 叶剑红, . 中国南海钙质砂蠕变-应力-时间四参数数学模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1771-1777.
[5] 杨秀荣, 姜谙男, 王善勇, 张峰瑞, . 冻融循环条件下片麻岩蠕变特性试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(11): 4331-4340.
[6] 伍天华, 周 喻, 王 莉, 孙金海, 赵 欢, 孙 铮, . 单轴压缩条件下岩石孔-隙相互作用机制细观研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(S2): 463-472.
[7] 唐建新,腾俊洋,张 闯,刘 姝, . 层状含水页岩蠕变特性试验研究[J]. , 2018, 39(S1): 33-41.
[8] 张 玉,王亚玲,俞 缙,张晓东,栾雅琳,. 深层膏质泥岩蠕变特性及非线性蠕变模型研究[J]. , 2018, 39(S1): 105-112.
[9] 杨秀荣,姜谙男,江宗斌. 含水状态下软岩蠕变试验及损伤模型研究[J]. , 2018, 39(S1): 167-174.
[10] 李露露,高永涛,周 喻,金爱兵. 单轴压缩条件下含三叉裂隙类岩石试样力学特性的细观研究[J]. , 2018, 39(10): 3668-3676.
[11] 杨 超,黄 达,蔡 睿,黄润秋,. 张开穿透型单裂隙岩体三轴卸荷蠕变特性试验[J]. , 2018, 39(1): 53-62.
[12] 张强勇,张龙云,向 文,江力宇,丁炎志,. 考虑温度效应的片麻状花岗岩三轴蠕变试验研究[J]. , 2017, 38(9): 2507-2514.
[13] 史 祥,樊恒辉,刘 刚,李 普,章润红. 分散性土蠕变特性试验研究[J]. , 2017, 38(4): 1015-1022.
[14] 孙淼军,唐辉明,王潇弘,胡新丽,汪明元,倪卫达,. 蠕动型滑坡滑带土蠕变特性研究[J]. , 2017, 38(2): 385-391.
[15] 张 玉,王亚玲, 张晓东,李 静,栾雅琳. 高埋深储层膏质泥岩蠕变力学特性试验研究[J]. , 2017, 38(11): 3179-3186.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 刘东燕,孙海涛,张 艳. 采动影响下采区上覆岩层层间剪切滑移模型分析[J]. , 2010, 31(2): 609 -614 .
[2] 叶俊能. 列车荷载下轨道系统-层状横观各向同性饱和地基动力响应[J]. , 2010, 31(5): 1597 -1603 .
[3] 张志强,何本国,何 川. 水底隧道饱水地层衬砌作用荷载研究[J]. , 2010, 31(8): 2465 -2470 .
[4] 毛 宁,张尧亮. 经验公式简便求法典型实例[J]. , 2010, 31(9): 2978 -2982 .
[5] 余天堂. 模拟三维裂纹问题的扩展有限元法[J]. , 2010, 31(10): 3280 -3285 .
[6] 李伟华,赵成刚,杜楠馨. 软弱饱和土夹层对地铁车站地震响应的影响分析[J]. , 2010, 31(12): 3958 -3963 .
[7] 韩现民. 西格二线关角隧道浅埋砂层段施工技术及力学效应研究[J]. , 2010, 31(S2): 297 -302 .
[8] 蒋臻蔚,彭建兵,王启耀. 西安市地铁3号线不良地质问题及对策研究[J]. , 2010, 31(S2): 317 -321 .
[9] 刘用海,朱向荣,常林越. 基于Casagrande法数学分析确定先期固结压力[J]. , 2009, 30(1): 211 -214 .
[10] 李兴高,刘维宁. 挡土结构上水-土压力分算的进一步探讨[J]. , 2009, 30(2): 419 -424 .