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岩石全过程曲线,特别是峰值后区特性一直是岩石力学界十分关注的问题,因为无论在理论上,还是在岩体工程的实践方面,它都具有重要意义。
对于大量的岩石工程问题而言,所涉及到的岩类脆性性质十分明显,峰值后区存在突然的,几乎不可控的,迅速而剧烈的应力跌落。一般而言,岩石多处于三维应力状态,随围压增大,峰后应力坡降将逐渐变得平缓,采用理想弹-脆-塑性模型分析必然存在一定的误差,且围压越大,误差越明显。故本文开展峰值后区应力非垂直跌落的非理想弹-脆-塑性模型的研究,主要包括如下工作:
1、在前人工作的基础上,对岩石的应力应变全过程曲线分类进行了有益的探讨,研究表明传统的岩石的应力应变全过程曲线分类中的Ⅱ类曲线是有条件成立的,将其作为一种本构关系显然有些勉强。
2、应用塑性位势理论,详细推导了对应于不同屈服准则的应力脆性跌落过程塑性流动因子的确定方法,并且给出了非理想脆塑性模型应力脆性跌落过程中产生的非零位移增量的一种简便的近似处理方法。
3、分别对大理岩、红砂岩和花岗岩等几种脆性比较明显的岩石进行了应力脆性跌落系数的试验研究。研究表明脆塑性岩石的脆性是相对的,随着围压的增大,岩石逐渐由脆性向延性转化;脆塑性岩石的应力脆性跌落在围压不大的情形下发生,其应力脆性跌落系数是围压的函数;并给出了大理岩和红砂岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式。
4、对非线性有限元分析中不同屈服条件进行了对比研究。研究表明,在三维情形下,采用不同的广义Von Mises条件来逼近莫尔—库仑条件时,Drucker—Prager条件偏于保守,真正的逼近Mohr-Coulomb条件应该介于内角圆和外角圆之间,内角圆偏于保守而外角圆偏于危险,所以等面积圆是相对合适的折中选择。
5、采用面向对象的程序设计语言Visual C++,嵌入Matlab数学库,利用其强大的矩阵运算功能,开发了运行于Windowsxp/2000/NT操作系统的,适用于岩土工程二维和三维有限元分析的面向对象有限元分析软件EBPFEM。该软件能进行弹塑性或弹脆塑性有限元计算,能较好的模拟脆塑性岩石的力学性能,可以考虑开挖卸荷;程序中加入了节理单元,可以模拟岩体中的不连续面;程序中还纳入了无界单元,可以模拟岩土工程中经常涉及到的无限和半无限域问题。
6、将应用面向对象方法开发的三维弹-脆-塑性有限元与无界元耦合分析软件EBPF田对小湾水电站地下洞室群的围岩稳定性进行了不同屈服条件下的分析。证明了本文所设计的分析软件的有效性和实用性,对类似的工程具有一定的参考意义。