沉积软岩各向异性试验研究及本构模拟

摘要

各向异性是沉积软岩的重要特性之一。目前，大量工程活动在沉积软岩地区进行，正确认识和把握沉积软岩的各向异性特征是沉积软岩地区工程设计、施工面临的一大难题。因此，对沉积软岩的各向异性进行研究有重要的理论和实际意义。本文以沉积软岩为研究对象，一方面从试验入手研究了不同倾角试样的力学特征；另一方面从本构模型入手，对沉积软岩各向异性tij下负荷面模型进行改进后将其开发至数值计算软件中,进行了数值计算研究。
　　本研究主要内容包括：⑴通过各向异性三轴剪切试验，分析了围压和层面倾角θ对砂质泥岩强度及破坏模式的影响，结果表明：砂质泥岩在相同围压下峰值强度及残余强度随层面倾角呈凹形曲线，且其各向异性程度随着围压的增加而降低。根据莫尔-库伦强度准则，砂质泥岩的内摩擦角φ与粘聚力c随层面倾角呈凹形曲线。破坏模式表现出明显的各向异性，可分为三类，即张拉剪切复合破坏、沿层面剪切破坏和切穿层面剪切破坏三种，其中90°为张拉剪切复合破坏，60°和45°是沿层面剪切破坏，30°和0°为切穿层面剪切破坏。⑵对沉积软岩各向异性tij下负荷面模型中的各向异性张量M进行了修正，通过在每个计算步应力主方向，使其能随着计算时步及时更新，更加符合工程实际工况。⑶基于FLAC3D提供的二次开发软件接口，编译了改进的沉积软岩各向异性tij下负荷面模型的FLAC3D动态链接库程序。通过单元测试，对本构模型二次开发的正确性和适用性进行了验证。经验证可知，本构模型二次开发成功且本构模型具有较好的适用性。之后建立了地下洞室开挖模型进行模拟计算，由计算结果可知，改进的沉积软岩各向异性tij下负荷面弹塑性本构模型不但能够反映出各向同性地层与各向异性地层模拟计算结果之间的差异，而且还能反映出各向异性地层由于不同的地层沉积角度引起的模拟计算结果的差异。

目录

声明

第一章 引 言

1.2 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.1.1 沉积软岩各向异性试验及物理力学性质研究现状

1.1.2 沉积软岩本构模型研究现状

1.1.3本构模型数值计算二次开发研究现状

1.3本文的主要工作内容

第二章 砂质泥岩各向异性试验研究

2.1 试验方案

2.1.1 试样制备

2.1.2 试验设备和试验方案

2.2试验成果

2.3 砂质泥岩强度各向异性分析

2.3.1 强度各向异性表现

2.3.2 围压对峰值强度各向异性度的影响

2.3.3 抗剪强度参数各向异性表现

2.3.4 破裂面与层面夹角对强度参数的影响

2.4 破坏模式的各向异性

第三章 沉积软岩各向异性弹塑性本构模型

3.1 沉积软岩各向异性tij下负荷面模型

3.1.1 超固结状态的描述

3.1.2 应力各向异性变换

3.1.3 SMP面及tij概念

3.1.4 沉积软岩各向异性tij下负荷面模型屈服面方程

3.1.5 硬化参数

3.1.6 流动法则和加载准则

3.1.7 增量应力应变关系

3.1.8 模型参数

3.2 各向异性张量M的修正

第四章 本构模型在FLAC3D中的实现及应用

4.1 FLAC3D及其自定义本构模型简介

4.1.1 FLAC3D简介

4.1.2 FLAC3D自定义本构简介

4.2 沉积软岩各向异性本构模型在FLAC3D中的实现

4.2.1应力张量、应变增量张量的规定

4.2.2模型参数的初始化

4.2.3 RUN()函数的实现

4.3本构模型的单元试验

4.3.1 本构模型开发的正确性验证

4.3.2本构模型的适用性验证

4.4 本构模型模拟应用研究

4.4.1 计算模型与边界条件

4.4.2 模型参数及工况设置

4.4.3 计算结果分析

结论

参考文献

致谢