基于连续—离散耦合的边坡稳定性分析方法及应用研究

发布时间：2018-10-30 17:46

【摘要】：工程建设过程中,岩土体的稳定是其它结构稳定的基础。由于岩土体的宏观失稳破坏皆为细观结构累积变形发展的结果,而对此类问题的传统分析多采用有限元或有限差分的连续元模型算法,已不能满足从细观力学角度分析岩土结构变形本质的需要。如何采用更为科学的方法对岩土体稳定性进行评价,保障工程建设安全顺利施工,是岩土学术界与工程界亟待解决的重大技术难题。连续-离散耦合算法作为一种岩土工程数值模拟计算方法,利用计算机的数据接口,通过在连续元和离散元软件之间进行力和速率等数据的传递而同步计算,可同时获得宏观和细观的计算结果。该方法不仅可利用连续元对大型岩土体模型便捷建模和快速计算的优势,而且能避免大量离散元颗粒模型计算时间过长的缺点。目前,连续-离散耦合算法的进一步开发,以及结合该算法从宏细观协同分析的角度研究岩土体受力变形的方法,已成为岩士工程界的热点研究课题。本文以连续-离散耦合数值计算方法为基础,以类土质边坡结构为研究对象,结合强度折减、有效应力等理论,从连续-离散耦合的关键步骤细化研究入手,综合利用理论分析、数值模拟、监控量测等技术于段,结合大型室内相似试验研究成果,对连续-离散耦合在岩土体稳定性分析评价的方法和应用上开展研究,主要研究成果包括：(1)通过分析总结现有宏细观参数相关性和参数匹配研究的内容,借助离散元双轴加载数值试验,结合宏观剪切强度标定(应力摩尔圆包络线)和材料木构特征标准(应力-应变曲线)两种参数匹配方法各有的优劣势,从参数分类入于,对细观参数逐一分析,进行初始值假定和经验性设定,并在单一参数变化和多个参数变化对宏观剪切强度的影响关系中总结规律。通过多因素正交试验方法及其对计算结果的优化研究,获得了较为合理的宏细观参数匹配方案。(2)连续-离散耦合数值模拟方法的祸合域是宏细观协同分析的基础。从阐述耦合域的选取确定对连续-离散耦合方法应用的重要性角度出发,通过在不同类型的边坡案例中耦合区域选取的特征,结合边坡的开挖和加载过程中宏观剪应变增量和细观接触力、位移和破裂机制,对连续-离散耦合模型的离散耦合域的确定方法从岩土体变形速率、受力和位移特征方面进行了研究,对耦合域的位置和尺寸的选取均定义了可靠的选取依据。(3)基于对连续-离散耦合算法普遍适用性和边坡应用性,对原始命令流进行二次开发,在连续元网格单元耦合区域、fishtank耦合模块调用控制以及边坡连续-离散耦合模型的建立方面进行了一系列的优化研究,不但对连续域和离散域数据传输边界重新定义,而且为耦合区域的随机选取和边坡结构的连续-离散耦合模型宏细观协同分析的分步骤变形监测方法奠定了基础。(4)基于强度折减理论,对类土质风化岩边坡进行了连续-离散耦合数值模拟分析,从宏细观位移变化的一致性、边坡剪应变增量与位移变化方向的关系、边坡塑性变形区变化与破裂数量改变的相关性,以及宏观位移与细观接触力主方向变化的关联等,表明了连续-离散耦合方法在岩土边坡稳定性分析中的有效应用,从宏细观协同的角度剖析了岩土体受力变形的内在机制。(5)建立大型尾矿坝室内相似试验,对边坡在含水状态下的稳定性分析进行了大量的试验数据采集和研究。该模型为国内尾矿库大尺度模型之一。尾矿坝室内试验尺寸和取材均来自于尾矿库现场,对其采用不同加载方式模拟堆载方式,不同加载速率模拟堆载速率,获得水压力、土压力、水位、以及土体位移变形等监测数据,建立了散体材料在富水条件下的相似分析模型,有效分析了尾矿坝在含水饱和状态下的失稳机理。(6)在室内试验几何模型基础上,基于有效应力原理,引入浮重度参数,建立连续-离散耦合数值模型。根据尾矿坝的浸润线特征,对浸润线上下分别采用非饱和、饱和土层参数,进行静水作用下的宏细观协同分析,验证了连续-离散耦合数值分析方法在含水尾矿坝稳定性分析中的有效性。并进一步结合山西襄汾尾矿坝失稳案例,通过模拟该坝体加载和失稳原型,对比应力-渗流耦合模型的位移和塑性变形结果,从细观接触力与宏观位移的关系、接触力分量与接触力链的相关性方面,对大型尾矿坝的失稳及溃坝成因进行了合理解释。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU43

【相似文献】