非线性本构模型的二次开发及在圆形隧洞围岩应变局部化过程中的应用

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本文以FLAC中的Mohr-Coulomb本构模型为基础,在C++环境下实现了考虑拉伸截断的非线性本构模型的二次开发。针对应力及位移的分布规律,将理想弹塑性的Hoek-Brown本构模型、Mohr-Coulomb本构模型及自定义本构模型的数值解及Hoek-Brown本构模型的理论解进行了比较,验证了自定义本构模型的正确性。采用弹-脆-塑性的自定义本构模型,以“先加载,后挖洞”的方式模拟了圆形隧道围岩的应变局部化过程,在计算模型的边界条件对称及均质本构参数的条件下,模拟出了4个对称的V形坑,这与静水压力条件下岩爆的现场观测及实验结果吻合。自定义本构模型中的线性及非线性屈服函数交界处的临界应力对计算结果的影响是一个值得研究的问题。针对围岩的塑性区、应力、位移及剪切应变增量进行数值计算的结果表明,随着临界应力的值的增加,隧洞围岩的塑性区尺寸、被监测单元或节点的剪切应变增量及位移减小;塑性区内的被监测单元的应力增加。这是由于随着临界应力的值的增加,本文提出的非线性本构模型中线性剪切屈服部分的屈服极限提高所致。在自定义本构模型中考虑弹性模量受围压的影响,模拟了两种网格(辐射网格及矩形网格)、不同本构模型及加载方式条件下的洞室围岩的破坏行为。计算结果表明,对于第1种网格,随着弹模的围压影响系数的增加,洞室围岩的应变,位移及塑性区半径均有所减小,被监测单元的环向应力的峰值有所降低。对于第2种网格,当弹模的围压影响系数较低时,围岩中形成了4个对称的V形坑,随着弹模的围压影响系数的增加,V形坑的个数明显减少,这可由洞室围岩的应力、位移及剪切应变增量均有所减小得到解释。
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