節(jié)理巖體是巖體工程中最普遍的施工對象之一,其力學(xué)性質(zhì)是巖體工程支護設(shè)計和穩(wěn)定性分析必須考慮的重要影響因素,正確認識節(jié)理巖體的強度特性,進而合理評價實際工程中的巖體強度,對于諸如隧道、邊坡、采礦等工程的安全和穩(wěn)定具有重要的意義。由于長期復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造作用,巖體中存在著大量尺寸不等、方向各異的不連續(xù)面,這些不連續(xù)面的存在使巖體的破壞過程伴隨著連續(xù)性變形和非連續(xù)性破壞。巖體的這種連續(xù)和非連續(xù)介質(zhì)共存的結(jié)構(gòu)特征給理論分析和數(shù)值計算帶來了極大的困難,傳統(tǒng)基于連續(xù)或非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法不能很好地模擬節(jié)理巖體的破壞過程。數(shù)值流形方法將數(shù)學(xué)分析中的有限覆蓋技術(shù)引入數(shù)值計算,實現(xiàn)了連續(xù)和非連續(xù)問題的統(tǒng)一求解。它采用兩套相互獨立的網(wǎng)格——數(shù)學(xué)網(wǎng)格和物理網(wǎng)格,在模擬裂紋擴展問題時避免了大量的網(wǎng)格重構(gòu)工作。由于上述獨特優(yōu)勢,數(shù)值流形方法可以有效地模擬節(jié)理巖體的破壞過程,從而在巖體工程領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。依托于國家自然科學(xué)基金項目,本論文基于數(shù)值流形方法,對含貫通和非貫通節(jié)理巖體的強度特性開展研究。為此,從擴展數(shù)值流形方法的求解能力入手,實現(xiàn)貫通節(jié)理巖體彈塑性求解和非貫通節(jié)理巖體裂紋擴展模擬,并通過與經(jīng)典算例進行對比來驗證擴展后數(shù)值流形方法計算結(jié)果的準確性和合理性。然后,分別對含一組貫通節(jié)理、兩組貫通節(jié)理以及斷續(xù)節(jié)理巖體的抗壓試驗進行數(shù)值模擬,分析節(jié)理巖體的強度和破壞特征,重點研究節(jié)理空間分布對巖體強度的影響。通過上述研究工作,主要取得以下幾方面的研究成果:1、揭示了一組貫通節(jié)理巖體的強度特性及破壞機理,建立了一組節(jié)理巖體的強度預(yù)測模型。(1)采用彈塑性數(shù)值流形方法模擬了含一組貫通節(jié)理巖體的抗壓試驗,結(jié)果表明,一組節(jié)理巖體的強度特性具有顯著的各向異性特征,巖體的強度-節(jié)理傾角曲線是非對稱“勺形”曲線。隨著節(jié)理間距減小,巖體強度逐漸減小,并趨向于某一定值,節(jié)理間距對巖體強度的影響也具有各向異性。(2)通過對數(shù)值計算結(jié)果進行回歸分析,提出新的節(jié)理分布參數(shù),建立了適用于一組貫通節(jié)理巖體的強度預(yù)測模型。該模型能夠準確反映節(jié)理傾角、節(jié)理間距和圍壓對巖體強度的影響規(guī)律,并且擬合系數(shù)均有明確的物理意義,可以通過常規(guī)的巖石力學(xué)試驗確定。2、揭示了兩組貫通節(jié)理的強度和破壞特征,建立了相應(yīng)的強度預(yù)測模型。(1)采用彈塑性數(shù)值流形方法模擬了含兩組交叉貫通節(jié)理巖體的抗壓試驗,結(jié)果表明,節(jié)理傾角、節(jié)理間距、圍壓以及節(jié)理組夾角是巖體強度的重要影響因素;依據(jù)節(jié)理狀態(tài),總結(jié)了兩組節(jié)理巖體的3種破壞模式;通過定性分析得出節(jié)理組之間存在相互作用,由此判定依據(jù)疊加原理將單弱面理論模型的結(jié)論推廣應(yīng)用到多組節(jié)理巖體有一定的缺陷。(2)通過對數(shù)值計算結(jié)果進行回歸分析,在一組節(jié)理巖體強度預(yù)測模型基礎(chǔ)上,建立了適用于兩組交叉貫通節(jié)理巖體的強度預(yù)測模型。該模型不僅能夠反映節(jié)理傾角、節(jié)理間距和圍壓對巖體強度的影響規(guī)律,還引入了量化的節(jié)理組影響系數(shù),并用它來反映不同破壞模式下節(jié)理組之間的相互影響。3、針對斷續(xù)節(jié)理巖體的強度特性,建立了能夠模擬裂紋擴展過程的數(shù)值流形方法。將裂紋尖端位移場的關(guān)鍵項作為強化函數(shù)引入數(shù)值流形方法的基函數(shù),以此考慮裂紋尖端應(yīng)力場和位移場的奇異性;采用最大周向拉應(yīng)力準則作為Ⅰ-Ⅱ型混合裂紋起裂條件和起裂方向的判定準則;采用J積分法求解裂紋尖端的應(yīng)力強度因子。數(shù)值流形方法還考慮了多裂紋擴展、裂紋交匯等情況,單元積分仍然采用單純形積分。通過對原有數(shù)值流形方法中的有限覆蓋系統(tǒng)、單元矩陣、單純形積分進行擴展,采用Visual C++編制計算程序,建立了能模擬裂紋擴展過程的數(shù)值流形方法。4、揭示了斷續(xù)節(jié)理巖體的強度特性和裂紋擴展特征。針對含Ⅰ-Ⅱ型混合裂紋巖體的強度特性,采用擴展后數(shù)值流形方法模擬斷續(xù)節(jié)理巖體的抗壓試驗,分析了節(jié)理空間分布對巖體強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明,節(jié)理傾角、節(jié)理間距和節(jié)理連通率對斷續(xù)節(jié)巖體強度特性具有顯著影響;隨著節(jié)理傾角變化,巖體裂紋擴展方式會發(fā)生改變;隨著節(jié)理間距減小,巖體強度逐漸減小;隨著節(jié)理連通率增大,巖體強度逐漸減小。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU45
【部分圖文】：

于數(shù)值流形方法的數(shù)值模擬試驗、以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的裂紋擴展理論研宄以及基逡逑于數(shù)值計算結(jié)果的回歸分析。逡逑根據(jù)上述論文研宄內(nèi)容和研究方法，繪制本論文技術(shù)路線如圖１－２所示。首先逡逑對數(shù)值流形方法進行理論研究，建立以優(yōu)勢節(jié)理巖體模型為基礎(chǔ)的彈塑性數(shù)值流逡逑形方法和以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的模擬裂紋擴展數(shù)值流形方法，在此過程中需逡逑要將適合節(jié)理巖體的本構(gòu)關(guān)系引入數(shù)值流形方法中，重新推導(dǎo)相關(guān)的計算公式和逡逑單純形積分，并用Ｖｉｓｕａｌ邋Ｃ＋＋完成計算程序編寫。然后用彈塑性數(shù)值流形方法對含逡逑一組和兩組貫通節(jié)理巖體的壓縮試驗進行數(shù)值模擬，在此之前需設(shè)定各個影響因逡逑素的水平，采用全面試驗方法確定數(shù)值試驗方案。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果分析含一組逡逑和兩組貫通節(jié)理巖體的強度特性，對數(shù)值計算結(jié)果進行回歸分析，建立一組和兩逡逑組節(jié)理巖體的強度預(yù)測模型。在此以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)

‘／ｋ—逡逑ｄｖ逡逑圖２－２巖石全應(yīng)力－應(yīng)變曲線逡逑Ｆｉｇ邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｆｏｉｌ邋ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｒｏｃｋ逡逑２．２．１屈服函數(shù)逡逑基于優(yōu)勢節(jié)理巖體模型的彈塑性數(shù)值流形方法中，優(yōu)勢節(jié)理和等效連續(xù)體采逡逑用不同的屈服準則。其中，優(yōu)勢節(jié)理采用經(jīng)典的Ｍｏｈｒ－ｃｏｌｏｕｍｂ準則作為其屈服準逡逑則（見式（２－５５）），式中ｃｙ和％分別表示節(jié)理的粘聚力和內(nèi)摩擦角。數(shù)值流形方法逡逑充分吸收了邋ＤＤＡ中接觸模擬的優(yōu)點，將接觸分為三種模式：張開、鎖定和滑動，逡逑通過加設(shè)和移除剛性彈簧實現(xiàn)接觸模式的轉(zhuǎn)換。加載過程中，當接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榛棋义蠣顟B(tài)時，在接觸面上施加一對方向相反的摩擦力，因此優(yōu)勢節(jié)理的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系逡逑類似圖２－３所示的理想塑性模型。逡逑ｔ邋＝邋ｃＪ＋ＣＴｔａｎ（ｐＪ邐（２－５５）逡逑°邐理想塑性逡逑．a(chǎn)義希阱義賢跡玻辰

本文編號：2823837