本文關鍵詞：節(jié)理巖體破壞過程模擬及參數(shù)確定方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國水利水電科學研究院》 2015年

節(jié)理巖體破壞過程模擬及參數(shù)確定方法研究

林興超  

【摘要】：巖體作為一種常見的工程介質,廣泛分布于水利水電、交通和礦山等領域,其強度、變形等工程力學特性直接關系到工程的經(jīng)濟和安全。巖體是長期地質構造運動的產(chǎn)物,包含大量不連續(xù)結構面,如：斷層、節(jié)理、層理、裂隙等。這些結構面相互交切形成了特定的巖體結構,這種復雜的結構特征決定了巖體的破壞機理和強度、變形等工程力學特性。大量工程實踐表明,巖體的變形、破壞和失穩(wěn)通常是巖體內部結構面變形、破壞、擴展乃至貫通引起的。因此,要研究節(jié)理巖體強度、變形等工程力學特性首先要了解節(jié)理巖體中結構面變形、破壞、擴展、貫通演化規(guī)律。針對節(jié)理巖體破壞過程和強度、變形特征問題,論文人工制備典型結構面分布的巖體進行室內直剪試驗研究節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化過程；引入斷裂力學基本概念,采用數(shù)值流形法實現(xiàn)節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程仿真模擬；在此基礎上開展了數(shù)值仿真試驗確定節(jié)理巖體工程力學特性參數(shù)的研究。主要研究工作包括以下幾個方面：(1)在制作典型節(jié)理巖體制模裝置、優(yōu)化試驗檢測系統(tǒng)基礎上設計了整體試驗方案。對節(jié)理巖體中節(jié)理、巖橋的變形、破壞、擴展演化過程開展室內直剪試驗研究,獲得了7種巖體模型在剪切荷載作用下的破壞演化過程試驗數(shù)據(jù)和圖像資料,為節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程模擬和強度、變形特性研究提供原始試驗數(shù)據(jù)。(2)研究了7種巖體模型、35條應力應變曲線,將應力應變曲線歸納為五種類型：滑動型、屈服型、剪斷型、脆斷型、剪斷復合型,并給出每種類型應力應變曲線的特征和判斷依據(jù)。研究表明巖體中包含的結構面形狀和法向應力決定應力應變曲線類型,隨著法向應力的增大,剪斷復合型逐漸向剪斷型轉化、剪斷型逐漸向屈服型轉化。(3)對數(shù)值流形法程序進行了考核,發(fā)現(xiàn)原有數(shù)值流形法在計算過程中改變慣性矩陣、重力場矩陣時,忽略了“質量守恒”,通過在流形元的分步計算中修正單元密度以實現(xiàn)“質量守恒”,提高了計算的精度。在矩陣表達式的二維塊體搜索基礎上提出了虛擬節(jié)理技術,保證節(jié)理分布不會因為塊體搜索而改變長度,并開發(fā)了數(shù)值試驗模型自動生成程序。(4)通過推導三維幾何信息關系判斷的矢量運算公式,構建了三維空間塊體搜索的矩陣表達式,實現(xiàn)了任意幾何形態(tài)的三維塊體搜索。為開展節(jié)理巖體三維研究奠定了基礎,對未來研究進行了初步探索。(5)引入斷裂力學應力強度因子的基本概念,采用圍線積分法計算裂紋尖端應力強度因子,最大周向應力準則確定節(jié)理擴展準則和擴展方向。該研究解決了節(jié)理巖體破壞過程中數(shù)學單元、物理單元的重構及應力傳遞問題,并進一步開發(fā)了節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程模擬程序。利用節(jié)理巖體中節(jié)理、巖橋不同搭接形式的剪切破壞演化過程的室內直剪試驗和單軸壓縮試驗對模擬程序進行驗證。驗證結果表明,節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程模擬程序結果與試驗結果具有很好的幾何一致性,驗證了所開發(fā)的程序能夠模擬節(jié)理巖體變形、破壞、擴展演化全過程。(6)進行了大量的節(jié)理巖體數(shù)值仿真試驗,并在大樣本數(shù)值仿真試驗的基礎上,提出了確定節(jié)理巖體工程力學特性參數(shù)和以及影響參數(shù)的尺寸效應、各向異性特性研究的方法和思路,為節(jié)理巖體工程力學特性研究提供了一種科學有效的技術手段。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：中國水利水電科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU45
【目錄】：

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本文編號：220160