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岩土介质流—固耦合非线性损伤力学理论与数值分析

薛新华  
【摘要】: 岩土体是自然界中一种内部富含各种缺陷(如微裂纹、孔隙等)的多相体,地下水在微裂纹、孔隙中的渗流作用影响岩土体中应力场的分布,同时岩土体中应力场的改变又使裂隙产生变形发展,影响裂隙的渗透性能,所以裂隙渗流场问题是一个多场(应力场、变形场、损伤场、渗流场等)、多相介质(流体、固体、颗粒体等)耦合的复杂动力学问题。因此,它是近年来工程理论研究的热点问题,对它深入研究,不仅在理论上而且在工程应用上都有重要意义。 如何引进损伤力学理论的优势,并对之进行合理的改进,同时考虑饱和水的影响,建立岩土体的渗流损伤本构模型是本文一个重点研究和探讨的问题。为此,本文在以下几个方面做了一些力所能及的工作。 1、在前人研究工作的基础上,发展了各向同性弹塑性损伤的有限变形耦合理论。首先基于构形方法,对应力张量与应变张量、有效弹性能、塑性应变增量等进行了一些不同观念的描述,然后对基于构形的弹塑性损伤耦合模型进行了讨论,研究并发展了损伤材料的演化方程以及本构方程等,提出了各向同性弹塑性损伤有限变形耦合理论模型,即损伤有限变形运动学方程以及损伤本构方程等。 2、在前人研究工作的基础上,推广并发展了各向同性双标量损伤变量理论。推导了各向同性双标量损伤弹性应变能释放率和损伤演化方程的表达式,并对各向同性双标量损伤变量模型的特征、可易性性质等进行了讨论和分析,为本文研究内容的创新点打下基础。 3、从连续损伤力学的角度,对岩土体的渗流力学特性进行了研究,提出了孔隙介质完备的有效Darcy定律(模型),并在此基础上发展了渗流微分方程的基本形式以及孔隙率和渗透系数演变的损伤岩土体渗透模型,并对常规渗透系数、有效渗透系数以及层状介质的有效渗透系数特性等进行了比较和分析。 4、在各向同性双标量损伤变量模型以及改进的孔隙介质完备的渗流微分方程、达西定律等基础上,修正Biot理论的基本方程,用Fortran90程序语言编制了岩土体流-固耦合的双标量损伤变量有限元程序EDAP_D、单标量损伤变量程序EPDAP_S以及有限变形损伤程序EDAP_L。程序中对破坏单元或高斯点的应力进行了迁移修正,保证了程序验算结果的合理性和正确性。 5、以一个软土路基有限元简化模型为例,利用自主编制的单标量损伤变量流-固耦合有限元程序EPDAP_S、双标量损伤变量有限元程序EDAP_D以及有限变形损伤程序EDAP_L,对计算模型的沉降、孔压、应力、应变以及损伤和弹性能释放率等进行分析讨论,并以典型节点为例,计算了模型沉降、孔压值等的变化曲线。此外,对由于不同时间差分格式在预测路基工作性状方面究竟会引起何种偏差等目前尚不清楚的问题,本文利用编制的单标量损伤变量有限元程序EPDAP_S对此进行了计算、分析、讨论,得出了一些有益的结论。


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