岩土体损伤局部化及其灾变渐进破坏数值模拟研究

发布时间：2020-08-10 10:01

【摘要】：为了更好研究非连续问题,克服传统数值方法存在的缺点,例如离散元法依赖单元(或粒子)直径大小;有限元法存在网格扭曲等不足之处。本文提出一种无网格粒子数值模拟计算方法-广义粒子动力学(General particle dynamics(GPD))法。应用GPD法研究岩土体损伤局部损和渐进破坏,研究内容以及结论:(1)应用GPD法,研究岩石试样在单轴和三轴压缩条件下局部损伤及破坏过程。当粒子受力满足Hoke-Brown强度准则时,认为此粒子破坏,不对周围其他粒子产生影响,我们称作“死亡粒子”。当荷载继续增加时,“死亡粒子”数量逐渐增加,这些粒子标记出了岩样损伤区域。通过和单轴压缩试验结果进行对比,得到以下结论:GPD法可以有效的模拟脆性材料损伤局部化和渐进破坏。在此基础上,模拟了岩样三轴压缩试验,分析了中间主应力对岩样局部损伤区域影响、岩石峰值强度影响和岩石最终破坏模式影响。(2)利用GPD模拟土质边坡渐进破坏。土体边坡荷载为自重,模型左右边界通过鬼粒子方法设置成为自由滑移边界,其边界粒子切向速度与实体粒子相同,而法向速度相反。底部通过虚粒子设置成为固定边界,其速度设置为零。模拟结果得出:土体边坡内部塑性等效应变由局部应变发展成为应变局部化带,并且贯通整个边坡体,形成临界滑移面。通过有限元软件对比模拟研究,得出以下结论:证明GPD法研究土体边坡变形问题是一个很好的工具,同时克服了有限元软件的网格畸变缺陷。(3)为了更进一步优化GPD算法,节约计算时间,防止计算结果出现应力不稳定现象,造成实体粒子成团等缺陷。提出虚拟键模型的广义粒子动力学法(VB-GPD)。采用Drucker-Prager强度准则判断键上应力是否满足强度准则,当键上应力满足Drucker-Prager准则,那么键处于塑性状态。随着应力增加,塑性键数量也随之增加,通过非关联流动法则判断塑性区,从而确定产生塑性变形的区域。通过模拟粘土体单轴压缩试验,得出土体试样首先出现塑性应变局部化,其逐渐发展成为应变局部化带,最终导致土体试样破坏。分析单轴压缩下土体变形-受力关系,验证了VB-GPD法研究塑性变形的可行性,最终应用到模拟均匀土质边坡。对比VB-GPD和GPD模拟结果,可以得出以下结论:VB-GPD在计算效率方面比GPD有所提高。建立同样的有限元模型,对比临界滑裂面、安全系数和最终破坏形态可知,VB-GPD可以有效的模拟塑性变形破坏。(4)为了更好的分析裂隙和节理对岩质边坡稳定性的影响,本文最后应用VB-GPD模型分析含预制裂纹的岩质边坡稳定性。建立六种不同裂纹排布的数值模型,采用重力叠加法施加外部荷载作用。模拟结果分析了边坡内部裂隙起始、发展和贯通的过程,得出多种裂纹连接模式。由于强度折减法在粒子法中不能应用,因为对于粒子法而言,每一个折减系数都不存在不收敛的解。因此,本文将重力叠加法引入VB-GPD算法中,求得含裂隙的岩质边坡安全系数。结果可知,VB-GPD在分析脆性材料变形和破坏是可行的,为研究岩质边坡提供了一种新的、更深入的方法。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45
【图文】：

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【参考文献】