基于数值流形方法的节理岩体强度特性研究
发布时间：2020-09-21 18:26
节理岩体是岩体工程中最普遍的施工对象之一,其力学性质是岩体工程支护设计和稳定性分析必须考虑的重要影响因素,正确认识节理岩体的强度特性,进而合理评价实际工程中的岩体强度,对于诸如隧道、边坡、采矿等工程的安全和稳定具有重要的意义。由于长期复杂的地质构造作用,岩体中存在着大量尺寸不等、方向各异的不连续面,这些不连续面的存在使岩体的破坏过程伴随着连续性变形和非连续性破坏。岩体的这种连续和非连续介质共存的结构特征给理论分析和数值计算带来了极大的困难,传统基于连续或非连续介质力学的方法不能很好地模拟节理岩体的破坏过程。数值流形方法将数学分析中的有限覆盖技术引入数值计算,实现了连续和非连续问题的统一求解。它采用两套相互独立的网格——数学网格和物理网格,在模拟裂纹扩展问题时避免了大量的网格重构工作。由于上述独特优势,数值流形方法可以有效地模拟节理岩体的破坏过程,从而在岩体工程领域得到了快速发展和广泛应用。依托于国家自然科学基金项目,本论文基于数值流形方法,对含贯通和非贯通节理岩体的强度特性开展研究。为此,从扩展数值流形方法的求解能力入手,实现贯通节理岩体弹塑性求解和非贯通节理岩体裂纹扩展模拟,并通过与经典算例进行对比来验证扩展后数值流形方法计算结果的准确性和合理性。然后,分别对含一组贯通节理、两组贯通节理以及断续节理岩体的抗压试验进行数值模拟,分析节理岩体的强度和破坏特征,重点研究节理空间分布对岩体强度的影响。通过上述研究工作,主要取得以下几方面的研究成果:1、揭示了一组贯通节理岩体的强度特性及破坏机理,建立了一组节理岩体的强度预测模型。(1)采用弹塑性数值流形方法模拟了含一组贯通节理岩体的抗压试验,结果表明,一组节理岩体的强度特性具有显著的各向异性特征,岩体的强度-节理倾角曲线是非对称“勺形”曲线。随着节理间距减小,岩体强度逐渐减小,并趋向于某一定值,节理间距对岩体强度的影响也具有各向异性。(2)通过对数值计算结果进行回归分析,提出新的节理分布参数,建立了适用于一组贯通节理岩体的强度预测模型。该模型能够准确反映节理倾角、节理间距和围压对岩体强度的影响规律,并且拟合系数均有明确的物理意义,可以通过常规的岩石力学试验确定。2、揭示了两组贯通节理的强度和破坏特征,建立了相应的强度预测模型。(1)采用弹塑性数值流形方法模拟了含两组交叉贯通节理岩体的抗压试验,结果表明,节理倾角、节理间距、围压以及节理组夹角是岩体强度的重要影响因素;依据节理状态,总结了两组节理岩体的3种破坏模式;通过定性分析得出节理组之间存在相互作用,由此判定依据叠加原理将单弱面理论模型的结论推广应用到多组节理岩体有一定的缺陷。(2)通过对数值计算结果进行回归分析,在一组节理岩体强度预测模型基础上,建立了适用于两组交叉贯通节理岩体的强度预测模型。该模型不仅能够反映节理倾角、节理间距和围压对岩体强度的影响规律,还引入了量化的节理组影响系数,并用它来反映不同破坏模式下节理组之间的相互影响。3、针对断续节理岩体的强度特性,建立了能够模拟裂纹扩展过程的数值流形方法。将裂纹尖端位移场的关键项作为强化函数引入数值流形方法的基函数,以此考虑裂纹尖端应力场和位移场的奇异性;采用最大周向拉应力准则作为Ⅰ-Ⅱ型混合裂纹起裂条件和起裂方向的判定准则;采用J积分法求解裂纹尖端的应力强度因子。数值流形方法还考虑了多裂纹扩展、裂纹交汇等情况,单元积分仍然采用单纯形积分。通过对原有数值流形方法中的有限覆盖系统、单元矩阵、单纯形积分进行扩展,采用Visual C++编制计算程序,建立了能模拟裂纹扩展过程的数值流形方法。4、揭示了断续节理岩体的强度特性和裂纹扩展特征。针对含Ⅰ-Ⅱ型混合裂纹岩体的强度特性,采用扩展后数值流形方法模拟断续节理岩体的抗压试验,分析了节理空间分布对岩体强度的影响规律。结果表明,节理倾角、节理间距和节理连通率对断续节岩体强度特性具有显著影响;随着节理倾角变化,岩体裂纹扩展方式会发生改变;随着节理间距减小,岩体强度逐渐减小;随着节理连通率增大,岩体强度逐渐减小。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：
于数值流形方法的数值模拟试验、以断裂力学为基础的裂纹扩展理论研宄以及基逡逑于数值计算结果的回归分析。逡逑根据上述论文研宄内容和研究方法，绘制本论文技术路线如图１－２所示。首先逡逑对数值流形方法进行理论研究，建立以优势节理岩体模型为基础的弹塑性数值流逡逑形方法和以线弹性断裂力学为基础的模拟裂纹扩展数值流形方法，在此过程中需逡逑要将适合节理岩体的本构关系引入数值流形方法中，重新推导相关的计算公式和逡逑单纯形积分，并用Ｖｉｓｕａｌ邋Ｃ＋＋完成计算程序编写。然后用弹塑性数值流形方法对含逡逑一组和两组贯通节理岩体的压缩试验进行数值模拟，在此之前需设定各个影响因逡逑素的水平，采用全面试验方法确定数值试验方案。根据数值计算结果分析含一组逡逑和两组贯通节理岩体的强度特性，对数值计算结果进行回归分析，建立一组和两逡逑组节理岩体的强度预测模型。在此以线弹性断裂力学为基础
‘／ｋ—逡逑ｄｖ逡逑图２－２岩石全应力－应变曲线逡逑Ｆｉｇ邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｆｏｉｌ邋ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｒｏｃｋ逡逑２．２．１屈服函数逡逑基于优势节理岩体模型的弹塑性数值流形方法中，优势节理和等效连续体采逡逑用不同的屈服准则。其中，优势节理采用经典的Ｍｏｈｒ－ｃｏｌｏｕｍｂ准则作为其屈服准逡逑则（见式（２－５５）），式中ｃｙ和％分别表示节理的粘聚力和内摩擦角。数值流形方法逡逑充分吸收了邋ＤＤＡ中接触模拟的优点，将接触分为三种模式：张开、锁定和滑动，逡逑通过加设和移除刚性弹簧实现接触模式的转换。加载过程中，当接触转变为滑移逡逑状态时，在接触面上施加一对方向相反的摩擦力，因此优势节理的应力－应变关系逡逑类似图２－３所示的理想塑性模型。逡逑ｔ邋＝邋ｃＪ＋ＣＴｔａｎ（ｐＪ逦（２－５５）逡逑°逦理想塑性逡逑．a义希阱义贤迹玻辰
本文编号：2823837
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：
于数值流形方法的数值模拟试验、以断裂力学为基础的裂纹扩展理论研宄以及基逡逑于数值计算结果的回归分析。逡逑根据上述论文研宄内容和研究方法，绘制本论文技术路线如图１－２所示。首先逡逑对数值流形方法进行理论研究，建立以优势节理岩体模型为基础的弹塑性数值流逡逑形方法和以线弹性断裂力学为基础的模拟裂纹扩展数值流形方法，在此过程中需逡逑要将适合节理岩体的本构关系引入数值流形方法中，重新推导相关的计算公式和逡逑单纯形积分，并用Ｖｉｓｕａｌ邋Ｃ＋＋完成计算程序编写。然后用弹塑性数值流形方法对含逡逑一组和两组贯通节理岩体的压缩试验进行数值模拟，在此之前需设定各个影响因逡逑素的水平，采用全面试验方法确定数值试验方案。根据数值计算结果分析含一组逡逑和两组贯通节理岩体的强度特性，对数值计算结果进行回归分析，建立一组和两逡逑组节理岩体的强度预测模型。在此以线弹性断裂力学为基础
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