【摘要】：目前我國許多在建和已經(jīng)完工的大型工程都位于西南地區(qū),這些工程往往規(guī)模巨大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工程本身的建設(shè)難度就很大。同時(shí)西南地區(qū)往往地形條件復(fù)雜,地質(zhì)斷層也較多,斷層切割圍巖形成不穩(wěn)定塊體會直接影響洞室圍巖穩(wěn)定,不穩(wěn)定塊體所引起的圍巖失穩(wěn)是地下工程中最為常見的失穩(wěn)破壞形式之一,因此塊體穩(wěn)定研究至關(guān)重要。一旦塊體失穩(wěn),將會對工程的安全建設(shè)運(yùn)行產(chǎn)生重大危害。這些工程往往直接關(guān)系到國計(jì)民生和國家能源安全,這些工程一旦遭到破壞,將會對我們國家造成重大影響。從這個(gè)角度看,研究大型地下工程的塊體穩(wěn)定問題就顯得至關(guān)重要,而塊體系統(tǒng)接觸問題研究又是塊體穩(wěn)定研究中至關(guān)重要的一個(gè)部分,因此探求高效、穩(wěn)定的塊體系統(tǒng)接觸研究方法并提出相應(yīng)的塊體穩(wěn)定評判及加固方法是目前亟待研究的重大課題,具有較大的研究意義。本文圍繞塊體系統(tǒng)接觸問題及穩(wěn)定評判加固中的幾個(gè)關(guān)鍵問題,即與有限元耦合的DDA方法及前處理改進(jìn)、塊體系統(tǒng)接觸狀態(tài)顯式求解、考慮接觸力的塊體系統(tǒng)求解、塊體阻尼特性研究和塊體穩(wěn)定評判方法及加固措施研究,主要研究內(nèi)容如下:(1)根據(jù)與有限元耦合的DDA基本理論,提出與有限元耦合的DDA建模的改進(jìn)方法,初步開發(fā)與有限元耦合的DDA計(jì)算程序。基于傳統(tǒng)DDA方法與有限元理論,分析與有限元耦合的DDA方法的位移模式,并結(jié)合該位移模式推導(dǎo)單元子矩陣的相應(yīng)形式,并分析在塊體內(nèi)部單元劃分情況下接觸問題的復(fù)雜性。同時(shí)研究相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵問題,例如網(wǎng)格坐標(biāo)描述選擇,單元的數(shù)值積分以及結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)等。結(jié)合具體工程算例,對建模改進(jìn)方法以及與有限元耦合的DDA計(jì)算程序進(jìn)行驗(yàn)證。(2)研究采用逼近的階躍函數(shù)來模擬塊體接觸狀態(tài),并基于拉格朗日插值及變尺度法求解塊體系統(tǒng)最小勢能,形成塊體系統(tǒng)接觸狀態(tài)的顯式求解方法。采用雙曲正切函數(shù)來逼近階躍函數(shù),利用階躍函數(shù)將塊體接觸約束狀態(tài)用塊體位移來表達(dá),以此來替代開閉迭代,避免開閉迭代難以收斂的難題;利用拉格朗日插值原理,在階躍函數(shù)表達(dá)的塊體接觸約束狀態(tài)的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)得到只含有塊體位移為未知量的塊體系統(tǒng)勢能函數(shù);利用變尺度法來求解總體勢能函數(shù)的極值以得到塊體位移,將計(jì)算得到的位移代入逼近的階躍函數(shù),進(jìn)而得到的塊體接觸約束狀態(tài);最后,結(jié)合滑塊和多塊體隧洞模型,分析接觸狀態(tài)顯式求解方法的計(jì)算精度和計(jì)算速度,驗(yàn)證塊體系統(tǒng)接觸狀態(tài)的顯式求解方法的正確性和穩(wěn)定性。(3)研究推導(dǎo)考慮接觸力的顯式DDA基本方程,并結(jié)合塊體系統(tǒng)接觸約束方程組,形成塊體系統(tǒng)接觸力的求解方法。將塊體之間的相互接觸作用看做是作用在單個(gè)塊體上的點(diǎn)荷載作用,計(jì)算其相應(yīng)的接觸子矩陣并整合出塊體系統(tǒng)基本方程,并采用中心差分法得到塊體位移的含有接觸力的顯式表達(dá)形式;基于接觸互補(bǔ)理論,推導(dǎo)出接觸力與位移之間的約束關(guān)系,同時(shí)將接觸約束方程組進(jìn)行光滑化,將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭汕髮?dǎo)計(jì)算的方程組;采用牛頓法對塊體系統(tǒng)顯式動力基本方程同接觸約束方程進(jìn)行聯(lián)立求解,得到塊體位移以及塊體之間的接觸力;最后,結(jié)合滑塊和塊體沖擊桿件模型,分析考慮接觸力的顯式DDA求解方法的計(jì)算精度和計(jì)算速度,驗(yàn)證接觸力的顯式DDA求解方法的正確性和穩(wěn)定性。(4)研究考慮粘彈性阻尼的對稱化塊體系統(tǒng)運(yùn)動方程,并基于Newmark積分,分析在外荷載作用下塊體在接觸面附近的振蕩特性及在阻尼作用下的最后的穩(wěn)定狀態(tài)。分析研究卷積型非粘滯阻尼模型,并將其代入塊體系統(tǒng)運(yùn)動方程中,得到含有非粘性阻尼的塊體系統(tǒng)運(yùn)動方程;通過引入輔助變量和輔助系數(shù)矩陣,將含有非粘性阻尼的塊體系統(tǒng)運(yùn)動方程對稱化,方便進(jìn)行求解;引入Newmark積分,將對稱塊體運(yùn)動方程進(jìn)行時(shí)域離散,將速度和加速度轉(zhuǎn)化為位移的表示形式;分別引入恒力和諧振激勵(lì)作用在塊體上,研究其在非粘性阻尼作用下的最終穩(wěn)定狀態(tài);最后,結(jié)合地下洞室模型,對廠房底部由斷層切割而成的塊體以及穩(wěn)定圍巖的位移進(jìn)行了監(jiān)測,分析了洞室開挖前后的位移變化規(guī)律,驗(yàn)證了含有非粘性阻尼的塊體系統(tǒng)運(yùn)動方程的正確性。(5)研究基于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度折減法的圍巖塊體穩(wěn)定評判方法,并形成塊體加固體系�？偨Y(jié)歸納塊體失穩(wěn)破壞形式,并基于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度折減原理,提出地下洞室群塊體穩(wěn)定性評判方法,提出失穩(wěn)判據(jù),并將其剛體極限平衡法的進(jìn)行對比;研究“結(jié)構(gòu)面固結(jié)灌漿”和“施加預(yù)應(yīng)力錨桿”兩種措施對地下洞室群塊體穩(wěn)定的加固效果,提出地下廠房塊體穩(wěn)定加固設(shè)計(jì)理念;最后,結(jié)合地下洞室模型,探討“結(jié)構(gòu)面固結(jié)灌漿”和“施加預(yù)應(yīng)力錨桿”的兩種加固效果。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV223
【圖文】：

圖１．１－１大型地下廠房逡逑學(xué)問題及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑統(tǒng)接觸狀態(tài)求解逡逑各個(gè)塊體之間并不是彼此孤立的，而是通過相互用相互影響。目前塊體之間的接觸狀態(tài)主要分為前在ＤＤＡ方法中針對這三種接觸狀態(tài)的判斷方相當(dāng)于通過在塊體之間施加和撤離彈簧來模擬塊相互嵌入和受拉，這種數(shù)學(xué)描述是用組合的不等問題。當(dāng)塊體數(shù)量較少時(shí)，該種方法能夠快速收，當(dāng)塊體數(shù)量較多時(shí)，采用開閉迭代往往不能快種方法收斂性不穩(wěn)定，對計(jì)算時(shí)步［３８］的要求非常

圖１．４－１主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線圖逡逑

圖２．２－１基于ＯｐｅｎＭＰ的并彳亍計(jì)算示意圖逡逑算求解塊體內(nèi)部勢能矩陣的代碼如下所示。逡逑ＭＰ邋ｇｅｔ邋ｎｕｍ邋ｐｒｏｃｓＱ邐！定義邋ＣＰＵｔ＿ｎｕｍ＿ｔｈｒｅａｄｓ（ｎｕｍ＿ｃｐｕ）邐！開啟線程逡逑ｌｌｅｌ邋ＳＨＡＲＥＤ（ＴＭ，邋ＮＥ，邋ｎｕｍ＿ｃｐｕ，邋ＺＤＫ，邋ＤＫ，ＡＴＥ）逡逑式逡逑ｇｅｔ＿ｔｈｒｅａｄ＿ｎｕｍ（）邐！得到線程１，邋ＮＥ，邋ｎｕｍ邋ｃｐｕ邐！ＮＥ為塊體數(shù)量，體的內(nèi)部勢能矩陣逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王建昌;王同旭;馬德鵬;張學(xué)朋;;基于塊體理論的大傾角節(jié)理巷道支護(hù)角度優(yōu)化[J];煤礦安全;2015年08期

2 左雙英;史文兵;梁風(fēng);黃春;趙蕊;;層狀各向異性巖體破壞模式判據(jù)數(shù)值實(shí)現(xiàn)及工程應(yīng)用[J];巖土工程學(xué)報(bào);2015年S1期

3 付曉東;盛謙;張勇慧;;非連續(xù)變形分析方法中的阻尼問題研究[J];巖土力學(xué);2015年07期

4 馬江鋒;張秀麗;焦玉勇;張煥強(qiáng);;用非連續(xù)變形分析方法模擬沖擊荷載作用下巴西圓盤的破壞過程[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年09期

5 鄔愛清;馮細(xì)霞;盧波;;非連續(xù)變形分析中時(shí)間步及彈簧剛度取值研究[J];巖土力學(xué);2015年03期

6 Yong Yu;Jianmin Yin;;Some modifications to the process of discontinuous deformation analysis[J];Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering;2015年01期

7 付曉東;盛謙;張勇慧;;基于OpenMP的非連續(xù)變形分析并行計(jì)算方法[J];巖土力學(xué);2014年08期

8 張立紅;劉天云;李慶斌;陳滔;;往復(fù)荷載作用下的改進(jìn)動接觸力方法[J];工程力學(xué);2014年07期

9 王發(fā)玲;劉才華;龔哲;;順層巖質(zhì)邊坡錨桿支護(hù)機(jī)制研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2014年07期

10 李小凱;鄭宏;;基于線性互補(bǔ)的非連續(xù)變形分析[J];巖土力學(xué);2014年06期

相關(guān)會議論文 前1條

1 付真;蔡永恩;;二維黏彈性LDDA方法[A];中國地球物理學(xué)會第22屆年會論文集[C];2006年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李翠華;三維彈塑性和接觸問題的非線性互補(bǔ)方法研究[D];武漢大學(xué);2014年

2 王文;考慮塊體內(nèi)耦合作用及錨桿塑性效應(yīng)的非連續(xù)變形分析方法[D];山東大學(xué);2014年

3 潘玉華;指數(shù)型阻尼模型及其在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動力分析中的應(yīng)用[D];北京交通大學(xué);2013年

4 安玉科;節(jié)理巖體邊坡關(guān)鍵塊體系統(tǒng)錨固法[D];吉林大學(xué);2012年

5 沈洪宇;卷積型阻尼模型參數(shù)識別與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的理論與試驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

6 張偉;基于預(yù)應(yīng)力錨桿模型的節(jié)理巖體穩(wěn)定性非連續(xù)分析[D];中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所）;2010年

7 馬永政;非連續(xù)變形分析法位移模式改進(jìn)及工程應(yīng)用[D];中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所）;2007年

8 王建全;三維塊體系統(tǒng)接觸檢索算法與非連續(xù)變形分析[D];大連理工大學(xué);2006年

9 杜學(xué)武;求解約束優(yōu)化問題的增廣拉格朗日函數(shù)法[D];上海大學(xué);2005年

10 白富生;非線性規(guī)劃中的精確罰函數(shù)[D];上海大學(xué);2003年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王金玉;糜棱巖斷層帶引水隧洞關(guān)鍵施工技術(shù)研究[D];西南交通大學(xué);2017年

2 陳映江;粘度時(shí)變性漿液在斷層破碎帶防滲加固中的擴(kuò)散特征研究[D];成都理工大學(xué);2016年

3 伏喜軍;錦屏一級水電站左岸抗力體固結(jié)灌漿檢測技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2012年

4 李必良;錦屏一級水電站卸荷（松弛）巖體加固處理研究[D];成都理工大學(xué);2010年

5 陳揚(yáng)勇;巖溶隧道注漿加固技術(shù)研究[D];重慶交通大學(xué);2009年

6 夏雪嬌;考慮樁—土—結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)構(gòu)動力數(shù)值分析研究[D];大連理工大學(xué);2008年

7 馮鋒杰;基于接觸彈簧模型的土與上部結(jié)構(gòu)相互作用的動力特性研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2007年

8 黃盛銓;強(qiáng)度折減DDA法及其在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2007年

9 張孜勤;重力壩縱縫開裂后的工作狀態(tài)研究[D];河海大學(xué);2007年

10 陳菲;強(qiáng)度折減法在滑坡三維穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[D];中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所）;2006年

本文編號：2789429