峰后岩体宏细观破裂过程数值模拟方法及应用研究

发布时间：2017-03-20 13:08

  本文关键词：峰后岩体宏细观破裂过程数值模拟方法及应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着我国经济的高速发展,对石油的需求量日益增大。对我国而言,安全、稳定的能源供应是经济持续、健康发展的重要保障。因此,加快地下隧道建设仍旧是下一个五年计划的目标,这将意味着岩石工程项目的不断增多。这些工程埋深越大,地质构造活动越强烈,地应力水平就越高,在开挖强卸荷作用下出现持续大变形和大体积塌方等深部工程灾害的可能性和频率就越高,造成的人员伤亡、机械设备报废、部分隧道被迫停建或改线,环境破坏严重,经济损失巨大。这些灾害已经严重制约了我国交通、水利水电等工程安全建设和运行。因此,裂隙岩体的变形破坏失稳过程的分析研究对于隧道的运行长期稳定性具有十分重大的现实工程意义、社会意义。岩石可被假定为一种非均质的多相复合结构,在受到外力作用以后,随机分布在岩石内部的微缺陷不断变化,出现贯通,逐渐形成宏观裂缝使岩石破坏,进而导致岩石结构失稳。岩石的变形破裂过程是非常复杂的,将岩石视为连续介质,只用经典弹塑性力学或断裂损伤力学的方法来描述,与实际不符,将难以获得理想的结果。本文结合室内三轴试验结果,从损伤和能量的角度分析研究峰后裂隙岩体宏细观变形破裂过程。本文的主要研究内容如下：1)配制类砂岩脆性材料开展了峰后裂隙岩体三轴压缩实验,从宏观角度研究峰后裂隙岩体的变形破裂过程,获得了裂隙岩体的应力-应变曲线,分析围压和贯穿裂隙倾角对裂隙岩体强度和变形特性的影响,为理论和数值方法的研究奠定了基础。2)研究峰后裂隙岩体宏观非连续变形破裂过程。分析总结室内试验得到的应力-应变曲线变化特点,确定了峰后裂隙岩体变形破裂过程中的关键点；基于系统分叉和混沌理论,定义应力-应变曲线峰值点为分叉点,破坏点为混沌点,获得了研究裂隙岩体变形破裂全过程中应力σ与无量纲参数D的关系；基于威布尔分布模型,建立了峰后裂隙岩体非线性连续损伤本构关系,探讨了损伤本构模型参数与围压、节理倾角的关系；基于能量守恒定律,分析了裂隙岩体结构变形特性；建立了基于应变能密度理论岩石损伤破坏判别准则,并通过FLAC-3D中的fish语言开发了岩石损伤变形破裂过程的计算程序,并结合室内试验进行了验证。3)基于流形覆盖的思想,构造三维流形元覆盖函数,结合颗粒接触模型,构建了MDP(Manifold Discrete Particle)单元；引入微平面理论,建立了拉、压本构模型,提出了一种基于流形覆盖的颗粒离散元数值方法,从宏细观角度分析裂隙岩体变形破裂全过程,结合室内试验对本文所提数值方法进行校核和验证。4)基于YADE平台,采用基于流形覆盖的颗粒离散元法,分析混凝土、岩体等脆性材料从细观到宏观的变形破裂过程,研究了脆性材料尺寸效应、拉压不对称等力学特性,实现了对连续和非连续变形问题的统一求解。5)以黄岛地下储油库工程为背景,利用本文所建立的基于流形覆盖的颗粒离散元方法,建立三维离散颗粒模型对5号主洞室围岩变形破裂过程进行了数值模拟,再现了洞室左壁发生大变形导致坍塌的全过程；与连续变形方法进行对比分析,计算得到洞室产生损伤破坏的位置一样。本文研究内容给岩石变形破裂过程的研究以及地下隧道围岩支护问题的研究提供了新的方法,对于认识各种大体积塌方、大变形及其支护作用具有非常重要的指导意义。
【关键词】：峰后 裂隙岩体 室内实验 非连续变形 流形覆盖 MDPM YADE 塌方
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU452
【目录】：

• 中文摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 绪论16-34
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.1.1 研究背景16-17
• 1.1.2 研究意义17-18
• 1.2 国内外研究现状18-29
• 1.2.1 关于岩石破裂理论方面18-20
• 1.2.2 关于岩石破裂试验方面20-23
• 1.2.3 关于岩石破裂数值方法方面23-29
• 1.3 主要研究内容29-30
• 1.4 研究思路30-31
• 1.5 创新点31-34
• 第二章 峰后裂隙岩体破裂过程三轴试验研究34-60
• 2.1 引言34
• 2.2 峰后裂隙岩体破裂过程三轴压缩试验34-40
• 2.2.1 预制试件34-38
• 2.2.2 试验仪器38
• 2.2.3 试验过程38-40
• 2.3 峰后裂隙岩体破裂过程三轴压缩试验结果40-58
• 2.3.1 不同围压条件下裂隙岩体变形特性41-48
• 2.3.2 不同倾角条件下裂隙岩体变形特性48-54
• 2.3.3 裂隙岩体破坏模式54-58
• 2.4 本章小结58-60
• 第三章 峰后裂隙岩体非连续变形破坏本构方程与模拟方法研究60-92
• 3.1 引言60
• 3.2 峰后裂隙岩体变形破坏特性60-65
• 3.3 峰后裂隙岩体本构模型的构建65-75
• 3.3.1 峰后裂隙岩体损伤本构模型65-69
• 3.3.2 裂隙岩体结构变形特性69-72
• 3.3.3 模型验证72-75
• 3.4 基于应变能密度理论的判别准则75-90
• 3.4.1 基于应变能密度理论的岩体变形破裂准则75-79
• 3.4.2 基于应变能密度理论的岩体变形破裂过程数值分析79-90
• 3.5 本章小结90-92
• 第四章 基于流形覆盖的岩体宏细观破裂的颗粒离散元法研究92-126
• 4.1 引言92-94
• 4.2 基于流形覆盖的离散颗粒单元的构成94-106
• 4.2.1 基于流形覆盖的颗粒离散元法特点94-96
• 4.2.2 流形单元的覆盖函数96-101
• 4.2.3 颗粒单元的构建101-106
• 4.3 MDP模型的基本方程106-108
• 4.3.1 位移矩阵106-107
• 4.3.2 应变矩阵107-108
• 4.3.3 单元应力108
• 4.4 MDP模型本构关系108-118
• 4.4.1 微平面理论108-111
• 4.4.2 弹性特性111-113
• 4.4.3 非弹性特性113-118
• 4.5 MDP模型程序实现118-124
• 4.5.1 基于流形覆盖的颗粒离散元计算流程118-120
• 4.5.2 算例120-124
• 4.6 本章小结124-126
• 第五章 基于MDPM的裂隙岩体变形破坏特性数值分析研究126-158
• 5.1 引言126
• 5.2 离散元简介126-133
• 5.2.1 离散元基本方程127-131
• 5.2.2 YADE软件简介131-133
• 5.3 基于MDPM的裂隙岩体力学性质数值分析133-156
• 5.3.1 尺寸效应134-144
• 5.3.2 拉压不对称144-151
• 5.3.3 连续与非连续变形分析151-156
• 5.4 本章小结156-158
• 第六章 工程应用158-172
• 6.1 引言158-159
• 6.2 工程背景159-161
• 6.3 计算模型及参数的确定161-165
• 6.3.1 数值模型161-164
• 6.3.2 裂隙岩体参数的确定164-165
• 6.4 地下洞室左侧壁围岩塌方数值模拟165-171
• 6.5 本章小结171-172
• 第七章 结论与展望172-174
• 7.1 结论172-173
• 7.2 展望173-174
• 参考文献174-188
• 在读期间参与的科研项目188-190
• 在读期间发表的论文190-192
• 致谢192-194
• 附件194

【参考文献】

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