裂隙性围岩力学特性和破裂机理的颗粒流数值模拟研究

发布时间：2017-10-10 11:41

  本文关键词：裂隙性围岩力学特性和破裂机理的颗粒流数值模拟研究

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【摘要】：随着我国地下工程建设速度的加快,隧洞在施工的过程中面临的地质条件越来越复杂,尤其是洞室围岩存在的节理裂隙不仅破坏了岩体的整体性,而且直接影响洞室围岩的受力及变形破裂方式,因此对裂隙性围岩的力学特性和破坏机理进行研究具有重要的理论和实际意义。但理论和室内试验研究方面的局限性制约了其研究进展,为更好地从细观方面研究洞室围岩在开挖过程中的力学特性和破坏机理,可采用数值模拟方法进行研究。本文以大相岭泥巴山隧道为工程背景,在对室内裂隙性流纹岩单轴和城门拱形洞室双轴压缩的基础上,采用基于离散单元法的颗粒流程序PFC2D模拟裂隙性岩体在单轴压缩下及裂隙性围岩在双轴压缩下的力学特性和破坏机理。本文研究的主要内容和得到的成果如下：(1)阐述了离散元颗粒流PFC2D程序的基本原理；通过对颗粒细观参数的调试,讨论了颗粒间平行粘结细观参数和摩擦系数对岩体试样宏观参数的影响：平行粘结刚度主要影响弹性模量,平行粘结强度主要影响峰值强度,半径系数对弹性模量和峰值强度均有较大影响,摩擦系数在(0,2)范围内对弹性模量和峰值强度影响较大,继续增大影响较小；确定裂隙性流纹岩试样合理的细观参数。(2)采用PFC2D数值模拟了流纹岩试样的单轴压缩试验,通过对比室内试验和数值模拟结果验证了采用PFC2D进行力学特性和破坏机理研究的可行性,然后从细观方面对岩样的破坏机理进行分析。(3)结合宏观和细观方面分析了不同的预置裂隙参数(单裂隙的角度、断续双裂隙的岩桥倾角)对岩体试样强度特征和裂纹扩展模式的影响。(4)对城门拱形隧洞试样进行双轴压缩数值模拟试验,根据城门拱形洞室双轴压缩室内试验结果,从洞室围岩的破裂模式以及拱顶和侧壁的应变分析验证了其可行性,然后从洞室围岩的裂纹扩展模式、裂隙发育特征以及接触力等的变化特征,对洞室围岩的破裂机理进行分析。(5)在城门拱形洞室的不同位置预置不同倾角和不同规模的节理,研究节理的存在对洞室围岩的强度、破坏模式及洞室围岩稳定性的影响规律。
【关键词】：岩体 裂隙 颗粒流 数值模拟 力学特性 破坏机理
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU457
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 研究意义及选题背景12-13
• 1.1.1 研究意义12-13
• 1.1.2 选题背景13
• 1.2 国内外研究现状分析13-19
• 1.2.1 裂隙性岩石力学特性的理论研究13-15
• 1.2.2 裂隙性围岩力学特性的试验研究15-16
• 1.2.3 裂隙性围岩力学特性的数值模拟研究16-18
• 1.2.4 裂隙性围岩力学特性研究现状综述18-19
• 1.3 本文主要研究内容、研究方法及技术路线19-22
• 1.3.1 课题研究内容19
• 1.3.2 研究方法19-20
• 1.3.3 技术路线20-22
• 第2章 颗粒流细观软件PFC2D特点与功能概述22-31
• 2.1 引言22-23
• 2.2 颗粒流方法的基本理论23-27
• 2.2.1 基本假定23
• 2.2.2 物理模型23-25
• 2.2.3 接触模型25-27
• 2.3 颗粒流模型边界条件及物理参数确定27-29
• 2.3.1 边界条件27-28
• 2.3.2 时步确定28-29
• 2.3.3 微裂纹表示方法29
• 2.4 颗粒流模型计算的一般过程29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 裂隙岩体试样的PFC2D数值模拟31-55
• 3.1 引言31
• 3.2 细观参数对宏观参数的影响分析31-35
• 3.2.1 颗粒接触刚度对材料宏观参数的影响32-33
• 3.2.2 颗粒间法相强度对材料宏观参数的影响33
• 3.2.3 颗粒半径系数对材料宏观参数的影响33-34
• 3.2.4 摩擦系数对材料宏观参数的影响34-35
• 3.3 流纹岩单轴压缩试验的PFC2D数值模拟35-41
• 3.3.1 流纹岩室内单轴压缩试验研究介绍35-36
• 3.3.2 PFC2D细观参数标定36-37
• 3.3.3 单轴压缩试验的PFC2D数值模拟分析37-41
• 3.4 岩体裂隙扩展和贯通机制概述41-43
• 3.5 裂纹对岩体试样屈服破坏影响的数值分析43-54
• 3.5.1 单轴压缩下单裂纹扩展贯通颗粒流模拟试验43
• 3.5.2 单轴压缩下单裂隙岩石破坏机制数值模拟分析43-49
• 3.5.3 单轴压缩下双裂纹扩展贯通颗粒流模拟试验49
• 3.5.4 断续双裂隙岩石试样破坏机制分析49-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第4章 城门拱形隧洞数值模拟研究55-69
• 4.1 引言55
• 4.2 洞室围岩双轴压缩数值模拟55-60
• 4.2.1 城门拱形隧洞模型试验概述55-56
• 4.2.2 洞室围岩双轴压缩数值模拟56-57
• 4.2.3 模拟和实验结果对比验证57-60
• 4.3 数值模拟结果分析60-63
• 4.3.1 城门拱形洞室围岩裂纹扩展模式60-62
• 4.3.2 城门拱形洞室围岩的应力特征62-63
• 4.4 洞室围岩的尺寸效应研究63-68
• 4.4.1 概述63-64
• 4.4.2 模拟试验64
• 4.4.3 模拟结果分析64-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 预置节理的洞室围岩数值模拟研究69-89
• 5.1 引言69
• 5.2 单节理城门拱形隧洞颗粒流数值模拟69-80
• 5.2.1 模拟方案确定69-70
• 5.2.2 数值模型建立70-71
• 5.2.3 数值计算结果分析71-80
• 5.3 多节理城门拱形隧洞破裂机理研究80-88
• 5.3.1 模拟方案确定80
• 5.3.2 数值模型建立80-81
• 5.3.3 数值计算结果分析81-88
• 5.4 本章小结88-89
• 结论与展望89-91
• 1 本文研究主要结论89-90
• 2 问题与展望90-91
• 致谢91-92
• 参考文献92-96

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本文编号：1006171