节理岩体破坏过程模拟及参数确定方法研究

发布时间：2020-06-25 12:19

【摘要】：岩体作为一种常见的工程介质,广泛分布于水利水电、交通和矿山等领域,其强度、变形等工程力学特性直接关系到工程的经济和安全。岩体是长期地质构造运动的产物,包含大量不连续结构面,如：断层、节理、层理、裂隙等。这些结构面相互交切形成了特定的岩体结构,这种复杂的结构特征决定了岩体的破坏机理和强度、变形等工程力学特性。大量工程实践表明,岩体的变形、破坏和失稳通常是岩体内部结构面变形、破坏、扩展乃至贯通引起的。因此,要研究节理岩体强度、变形等工程力学特性首先要了解节理岩体中结构面变形、破坏、扩展、贯通演化规律。针对节理岩体破坏过程和强度、变形特征问题,论文人工制备典型结构面分布的岩体进行室内直剪试验研究节理岩体变形、破坏、扩展演化过程；引入断裂力学基本概念,采用数值流形法实现节理岩体变形、破坏、扩展演化全过程仿真模拟；在此基础上开展了数值仿真试验确定节理岩体工程力学特性参数的研究。主要研究工作包括以下几个方面：(1)在制作典型节理岩体制模装置、优化试验检测系统基础上设计了整体试验方案。对节理岩体中节理、岩桥的变形、破坏、扩展演化过程开展室内直剪试验研究,获得了7种岩体模型在剪切荷载作用下的破坏演化过程试验数据和图像资料,为节理岩体变形、破坏、扩展演化全过程模拟和强度、变形特性研究提供原始试验数据。(2)研究了7种岩体模型、35条应力应变曲线,将应力应变曲线归纳为五种类型：滑动型、屈服型、剪断型、脆断型、剪断复合型,并给出每种类型应力应变曲线的特征和判断依据。研究表明岩体中包含的结构面形状和法向应力决定应力应变曲线类型,随着法向应力的增大,剪断复合型逐渐向剪断型转化、剪断型逐渐向屈服型转化。(3)对数值流形法程序进行了考核,发现原有数值流形法在计算过程中改变惯性矩阵、重力场矩阵时,忽略了“质量守恒”,通过在流形元的分步计算中修正单元密度以实现“质量守恒”,提高了计算的精度。在矩阵表达式的二维块体搜索基础上提出了虚拟节理技术,保证节理分布不会因为块体搜索而改变长度,并开发了数值试验模型自动生成程序。(4)通过推导三维几何信息关系判断的矢量运算公式,构建了三维空间块体搜索的矩阵表达式,实现了任意几何形态的三维块体搜索。为开展节理岩体三维研究奠定了基础,对未来研究进行了初步探索。(5)引入断裂力学应力强度因子的基本概念,采用围线积分法计算裂纹尖端应力强度因子,最大周向应力准则确定节理扩展准则和扩展方向。该研究解决了节理岩体破坏过程中数学单元、物理单元的重构及应力传递问题,并进一步开发了节理岩体变形、破坏、扩展演化全过程模拟程序。利用节理岩体中节理、岩桥不同搭接形式的剪切破坏演化过程的室内直剪试验和单轴压缩试验对模拟程序进行验证。验证结果表明,节理岩体变形、破坏、扩展演化全过程模拟程序结果与试验结果具有很好的几何一致性,验证了所开发的程序能够模拟节理岩体变形、破坏、扩展演化全过程。(6)进行了大量的节理岩体数值仿真试验,并在大样本数值仿真试验的基础上,提出了确定节理岩体工程力学特性参数和以及影响参数的尺寸效应、各向异性特性研究的方法和思路,为节理岩体工程力学特性研究提供了一种科学有效的技术手段。
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45

【参考文献】