基于擾動(dòng)狀態(tài)理論的若干巖土力學(xué)基礎(chǔ)問題研究

前言

　　工程問題的最終解決與三大方程的求解緊密相關(guān)。三大方程中，平衡方程相對(duì)易得，位移連續(xù)方程可以給出簡化結(jié)果，而本構(gòu)方程必須人為確定，且確定難度較大。材料進(jìn)入塑性階段后，本構(gòu)方程的復(fù)雜性更加凸顯。繼續(xù)跟蹤模擬材料的各種特性，比如間斷、黏性、損傷、大應(yīng)變、體積改變、水土耦合、非關(guān)聯(lián)性、各向異性、加載卸載等，則本構(gòu)方程的復(fù)雜性更為可觀。如果本構(gòu)方程比較簡單則模擬結(jié)果不完備，如果本構(gòu)方程過于復(fù)雜則不實(shí)用。為了接近材料的天然性和不可設(shè)計(jì)性，新的本構(gòu)方程及其修正方法不斷出現(xiàn)?！　∫栽黾由倭繀?shù)為代價(jià)，充分利用現(xiàn)有的本構(gòu)方程解決更多的問題，將是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。擾動(dòng)狀態(tài)理論就是一種利用現(xiàn)有資源解決現(xiàn)時(shí)問題的思路：利用本構(gòu)模型得到參考響應(yīng)之后，對(duì)參考響應(yīng)進(jìn)行加權(quán)平均處理或修正處理，可以得到滿意的模擬結(jié)果?！　”緯髡鹿?jié)的內(nèi)容重點(diǎn)依次是：介紹理論發(fā)展概貌、給出理論合理性證明、應(yīng)用理論解決問題、擴(kuò)展理論應(yīng)用范圍。本書提出的擾動(dòng)因子演化方程把細(xì)觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象溝通起來。本書改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)曲線彈性段壓密點(diǎn)前后彈性模量的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響；模擬了巖石常規(guī)三軸受壓實(shí)驗(yàn)中擾動(dòng)因子參數(shù)隨著圍壓變化的情況；描述了單軸受壓情況下巖石體應(yīng)變的變化規(guī)律。本書將擾動(dòng)狀態(tài)理論引入比奧固結(jié)理論，利用修正劍橋模型和擾動(dòng)因子相結(jié)合，得到水土耦合的聯(lián)合方程組，求得給定邊界條件下任意時(shí)刻的位移、孔壓和有效應(yīng)力的變化。本書討論了擾動(dòng)因子的各向異性表述方式和相應(yīng)有限元的實(shí)現(xiàn)過程、漂移修正和物理量初始值確定方案，確定了各向異性擾動(dòng)因子引入分級(jí)單屈服面模型的實(shí)現(xiàn)步驟，有限元程序源代碼利用MATLAB和FORTRAN混合編寫，并在書后的附錄中列出?！　_動(dòng)狀態(tài)理論仍然屬于經(jīng)典的彈塑性巖土力學(xué)范疇。但是，通過平均化方法或修正方法解決問題的方式，為推進(jìn)問題的逐步解決提供了可能性。擾動(dòng)狀態(tài)理論的本質(zhì)就是充分挖掘現(xiàn)有資源的應(yīng)用潛力，利用簡單方法解決復(fù)雜問題。

內(nèi)容概要

　　《基于擾動(dòng)狀態(tài)理論的若干巖土力學(xué)基礎(chǔ)問題研究》針對(duì)擾動(dòng)狀態(tài)理論體系的邏輯合理性作出細(xì)觀判斷；應(yīng)用擾動(dòng)狀態(tài)理論得到巖石材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和體應(yīng)變變化曲線；通過求解擾動(dòng)狀態(tài)理論與比奧固結(jié)理論相結(jié)合的水土耦合方程組，描述結(jié)構(gòu)體的位移和有效應(yīng)力的變化情況；給出擾動(dòng)因子的應(yīng)力各向異性表述方式，制定分級(jí)單屈服面模型與各向異性擾動(dòng)因子相結(jié)合的有限元分析步驟。《基于擾動(dòng)狀態(tài)理論的若干巖土力學(xué)基礎(chǔ)問題研究》理論系統(tǒng)，邏輯清晰，參數(shù)明確，程序完備，可供土木工程，尤其是從事巖土力學(xué)與工程研究和應(yīng)用的同行參考，也可作為研究生的參考資料。

書籍目錄

前言符號(hào)表第1章 緒論1.1 地質(zhì)材料的本構(gòu)關(guān)系研究1.2 擾動(dòng)狀態(tài)理論的平均化思想1.3 擾動(dòng)狀態(tài)理論的特點(diǎn)1.3.1 與內(nèi)時(shí)理論比較1.3.2 與損傷理論比較1.3.3 與非局部模型理論比較1.4 擾動(dòng)狀態(tài)理論研究現(xiàn)狀1.5 本書主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第2章 擾動(dòng)狀態(tài)理論合理性的細(xì)觀分析2.1 理論合理性問題的提出2.2 計(jì)算機(jī)層面掃描2.3 硬化和軟化與CT數(shù)變化規(guī)律的關(guān)系2.3.1 試樣整體和整體分層掃描結(jié)果2.3.2 試樣薄弱區(qū)分層掃描結(jié)果2.3.3 擾動(dòng)狀態(tài)理論的合理性2.4 擾動(dòng)因子演化方程的CT數(shù)統(tǒng)計(jì)值引入本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第3章 基于擾動(dòng)狀態(tài)理論的巖石受壓響應(yīng)描述3.1 典型巖土工程問題的擾動(dòng)狀態(tài)理論方法3.1.1 排水土問題3.1.2 不排水土問題3.1.3 巖石問題3.1.4 平均化思想3.2 巖石單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系描述3.2.1 巖石應(yīng)變軟化描述的直接迭代法3.2.2 三種典型巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系描述3.2.3 彈性壓密點(diǎn)之后的響應(yīng)描述3.3 巖石單軸受壓體應(yīng)變變化描述3.4 巖石常規(guī)三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系描述3.5 應(yīng)用HISS模型的巖石受壓響應(yīng)描述3.5.1 分級(jí)單屈服面模型HISS3.5.2 模型參數(shù)的物理意義3.5.3 模型與擾動(dòng)因子的結(jié)合3.5.4 初始剛度矩陣3.5.5 模型參數(shù)選取3.5.6 本構(gòu)公式說明本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第4章 基干擾動(dòng)狀態(tài)理論的Biot固結(jié)有限元分析4.1 利用修正劍橋模型描述土的響應(yīng)4.2 擾動(dòng)狀態(tài)理論導(dǎo)人平衡方程4.3 滲流連續(xù)方程4.4 綜合方程4.5 有限元程序編制4.6 算例本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第5章 基干擾動(dòng)狀態(tài)理論的應(yīng)力各向異性響應(yīng)描述5.1 各向異性擾動(dòng)因子5.2 土的各向異性響應(yīng)有限元模型5.2.1 基于HISS模型的有限元實(shí)現(xiàn)5.2.2 硬化漂移修正5.2.3 物理量初始值確定5.2.4 各向異性擾動(dòng)因子的引入5.2.5 擾動(dòng)因子的疊加5.3 算例5.3.1 混合編程5.3.2 軸對(duì)稱問題算例5.3.3 平面應(yīng)變問題算例5.3.4 參數(shù)調(diào)試5.4 關(guān)于擾動(dòng)狀態(tài)理論本質(zhì)的討論本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第6章 結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)附錄

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　只利用一種本構(gòu)模型有時(shí)不能很好地描述材料響應(yīng)。如果利用兩種本構(gòu)模型作為參考，取其各自描述結(jié)果的加權(quán)平均值作為最終結(jié)果，就有可能大大提高響應(yīng)描述的準(zhǔn)確性。當(dāng)然，這兩種參考本構(gòu)模型的選用不是隨意的。本構(gòu)模型必須對(duì)應(yīng)材料的本質(zhì)特征。擾動(dòng)狀態(tài)理論（disturbed state conCept theory，簡稱DSC）的意義在于利用本構(gòu)模型來達(dá)到描述材料響應(yīng)的目的。擾動(dòng)狀態(tài)理論認(rèn)為，材料受到外部荷載作用時(shí)的響應(yīng)是兩種參考響應(yīng)的加權(quán)平均，處于相對(duì)完整狀態(tài)的材料的響應(yīng)和處于調(diào)節(jié)后狀態(tài)的材料的響應(yīng)以一個(gè)擾動(dòng)因子作為權(quán)相加構(gòu)成材料的真實(shí)響應(yīng)。相對(duì)完整狀態(tài)relative intact state，簡稱Rl。調(diào)節(jié)后狀態(tài)fully adjusted state，簡稱FA。平均響應(yīng)狀態(tài)average response state，簡稱AV（平均響應(yīng)狀態(tài)也可稱為真實(shí)響應(yīng)狀態(tài)actual response state，簡稱AR）。擾動(dòng)因子disturbance factor，簡稱D。Rl是理想化或人為規(guī)定的“完美”狀態(tài)，F(xiàn)A是理想化或人為規(guī)定的“極限”狀態(tài)。在外部荷載作用初期，材料中處于“完美”狀態(tài)的部分多而處于“極限”狀態(tài)的部分少；隨著外部荷載作用的發(fā)展，材料內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生變化，越來越多的“完美”狀態(tài)部分自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皹O限”狀態(tài)部分，直到材料內(nèi)部每一點(diǎn)都達(dá)到“極限”狀態(tài)。“擾動(dòng)”的涵義是在外部荷載作用下材料內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)性質(zhì)自動(dòng)發(fā)生變化。兩種參考響應(yīng)都與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，每一種參考響應(yīng)對(duì)應(yīng)一種本構(gòu)模型。擾動(dòng)狀態(tài)理論認(rèn)為兩種參考本構(gòu)模型得到的響應(yīng)都是材料本身固有的響應(yīng)。擾動(dòng)是材料的自身性質(zhì)，外部荷載作用只是誘因。材料性質(zhì)的變化過程是自發(fā)發(fā)生的?！　_動(dòng)狀態(tài)理論是一種適合多種工程材料的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)描述理論。本書將擾動(dòng)狀態(tài)理論應(yīng)用于土和巖石的力學(xué)響應(yīng)描述。擾動(dòng)狀態(tài)理論的兩大核心內(nèi)容是本構(gòu)模型HISS和擾動(dòng)因子D。理論的應(yīng)用步驟是利用HISS模型或其他合適的模型，通過擾動(dòng)因子D的作用，描述材料的響應(yīng)。分級(jí)單屈服面模型HISS一般用來描述相對(duì)完整狀態(tài)Rl的材料響應(yīng)。擾動(dòng)狀態(tài)理論利用本構(gòu)模型的最終目的是描述材料受荷時(shí)的響應(yīng)，不在于深入研究本構(gòu)模型本身。

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