本文關鍵詞：峰后巖體宏細觀破裂過程數值模擬方法及應用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著我國經濟的高速發(fā)展,對石油的需求量日益增大。對我國而言,安全、穩(wěn)定的能源供應是經濟持續(xù)、健康發(fā)展的重要保障。因此,加快地下隧道建設仍舊是下一個五年計劃的目標,這將意味著巖石工程項目的不斷增多。這些工程埋深越大,地質構造活動越強烈,地應力水平就越高,在開挖強卸荷作用下出現持續(xù)大變形和大體積塌方等深部工程災害的可能性和頻率就越高,造成的人員傷亡、機械設備報廢、部分隧道被迫停建或改線,環(huán)境破壞嚴重,經濟損失巨大。這些災害已經嚴重制約了我國交通、水利水電等工程安全建設和運行。因此,裂隙巖體的變形破壞失穩(wěn)過程的分析研究對于隧道的運行長期穩(wěn)定性具有十分重大的現實工程意義、社會意義。巖石可被假定為一種非均質的多相復合結構,在受到外力作用以后,隨機分布在巖石內部的微缺陷不斷變化,出現貫通,逐漸形成宏觀裂縫使巖石破壞,進而導致巖石結構失穩(wěn)。巖石的變形破裂過程是非常復雜的,將巖石視為連續(xù)介質,只用經典彈塑性力學或斷裂損傷力學的方法來描述,與實際不符,將難以獲得理想的結果。本文結合室內三軸試驗結果,從損傷和能量的角度分析研究峰后裂隙巖體宏細觀變形破裂過程。本文的主要研究內容如下：1)配制類砂巖脆性材料開展了峰后裂隙巖體三軸壓縮實驗,從宏觀角度研究峰后裂隙巖體的變形破裂過程,獲得了裂隙巖體的應力-應變曲線,分析圍壓和貫穿裂隙傾角對裂隙巖體強度和變形特性的影響,為理論和數值方法的研究奠定了基礎。2)研究峰后裂隙巖體宏觀非連續(xù)變形破裂過程。分析總結室內試驗得到的應力-應變曲線變化特點,確定了峰后裂隙巖體變形破裂過程中的關鍵點；基于系統(tǒng)分叉和混沌理論,定義應力-應變曲線峰值點為分叉點,破壞點為混沌點,獲得了研究裂隙巖體變形破裂全過程中應力σ與無量綱參數D的關系；基于威布爾分布模型,建立了峰后裂隙巖體非線性連續(xù)損傷本構關系,探討了損傷本構模型參數與圍壓、節(jié)理傾角的關系；基于能量守恒定律,分析了裂隙巖體結構變形特性；建立了基于應變能密度理論巖石損傷破壞判別準則,并通過FLAC-3D中的fish語言開發(fā)了巖石損傷變形破裂過程的計算程序,并結合室內試驗進行了驗證。3)基于流形覆蓋的思想,構造三維流形元覆蓋函數,結合顆粒接觸模型,構建了MDP(Manifold Discrete Particle)單元；引入微平面理論,建立了拉、壓本構模型,提出了一種基于流形覆蓋的顆粒離散元數值方法,從宏細觀角度分析裂隙巖體變形破裂全過程,結合室內試驗對本文所提數值方法進行校核和驗證。4)基于YADE平臺,采用基于流形覆蓋的顆粒離散元法,分析混凝土、巖體等脆性材料從細觀到宏觀的變形破裂過程,研究了脆性材料尺寸效應、拉壓不對稱等力學特性,實現了對連續(xù)和非連續(xù)變形問題的統(tǒng)一求解。5)以黃島地下儲油庫工程為背景,利用本文所建立的基于流形覆蓋的顆粒離散元方法,建立三維離散顆粒模型對5號主洞室圍巖變形破裂過程進行了數值模擬,再現了洞室左壁發(fā)生大變形導致坍塌的全過程；與連續(xù)變形方法進行對比分析,計算得到洞室產生損傷破壞的位置一樣。本文研究內容給巖石變形破裂過程的研究以及地下隧道圍巖支護問題的研究提供了新的方法,對于認識各種大體積塌方、大變形及其支護作用具有非常重要的指導意義。
【關鍵詞】：峰后 裂隙巖體 室內實驗 非連續(xù)變形 流形覆蓋 MDPM YADE 塌方
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU452
【目錄】：

• 中文摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 緒論16-34
• 1.1 研究背景及意義16-18
• 1.1.1 研究背景16-17
• 1.1.2 研究意義17-18
• 1.2 國內外研究現狀18-29
• 1.2.1 關于巖石破裂理論方面18-20
• 1.2.2 關于巖石破裂試驗方面20-23
• 1.2.3 關于巖石破裂數值方法方面23-29
• 1.3 主要研究內容29-30
• 1.4 研究思路30-31
• 1.5 創(chuàng)新點31-34
• 第二章 峰后裂隙巖體破裂過程三軸試驗研究34-60
• 2.1 引言34
• 2.2 峰后裂隙巖體破裂過程三軸壓縮試驗34-40
• 2.2.1 預制試件34-38
• 2.2.2 試驗儀器38
• 2.2.3 試驗過程38-40
• 2.3 峰后裂隙巖體破裂過程三軸壓縮試驗結果40-58
• 2.3.1 不同圍壓條件下裂隙巖體變形特性41-48
• 2.3.2 不同傾角條件下裂隙巖體變形特性48-54
• 2.3.3 裂隙巖體破壞模式54-58
• 2.4 本章小結58-60
• 第三章 峰后裂隙巖體非連續(xù)變形破壞本構方程與模擬方法研究60-92
• 3.1 引言60
• 3.2 峰后裂隙巖體變形破壞特性60-65
• 3.3 峰后裂隙巖體本構模型的構建65-75
• 3.3.1 峰后裂隙巖體損傷本構模型65-69
• 3.3.2 裂隙巖體結構變形特性69-72
• 3.3.3 模型驗證72-75
• 3.4 基于應變能密度理論的判別準則75-90
• 3.4.1 基于應變能密度理論的巖體變形破裂準則75-79
• 3.4.2 基于應變能密度理論的巖體變形破裂過程數值分析79-90
• 3.5 本章小結90-92
• 第四章 基于流形覆蓋的巖體宏細觀破裂的顆粒離散元法研究92-126
• 4.1 引言92-94
• 4.2 基于流形覆蓋的離散顆粒單元的構成94-106
• 4.2.1 基于流形覆蓋的顆粒離散元法特點94-96
• 4.2.2 流形單元的覆蓋函數96-101
• 4.2.3 顆粒單元的構建101-106
• 4.3 MDP模型的基本方程106-108
• 4.3.1 位移矩陣106-107
• 4.3.2 應變矩陣107-108
• 4.3.3 單元應力108
• 4.4 MDP模型本構關系108-118
• 4.4.1 微平面理論108-111
• 4.4.2 彈性特性111-113
• 4.4.3 非彈性特性113-118
• 4.5 MDP模型程序實現118-124
• 4.5.1 基于流形覆蓋的顆粒離散元計算流程118-120
• 4.5.2 算例120-124
• 4.6 本章小結124-126
• 第五章 基于MDPM的裂隙巖體變形破壞特性數值分析研究126-158
• 5.1 引言126
• 5.2 離散元簡介126-133
• 5.2.1 離散元基本方程127-131
• 5.2.2 YADE軟件簡介131-133
• 5.3 基于MDPM的裂隙巖體力學性質數值分析133-156
• 5.3.1 尺寸效應134-144
• 5.3.2 拉壓不對稱144-151
• 5.3.3 連續(xù)與非連續(xù)變形分析151-156
• 5.4 本章小結156-158
• 第六章 工程應用158-172
• 6.1 引言158-159
• 6.2 工程背景159-161
• 6.3 計算模型及參數的確定161-165
• 6.3.1 數值模型161-164
• 6.3.2 裂隙巖體參數的確定164-165
• 6.4 地下洞室左側壁圍巖塌方數值模擬165-171
• 6.5 本章小結171-172
• 第七章 結論與展望172-174
• 7.1 結論172-173
• 7.2 展望173-174
• 參考文獻174-188
• 在讀期間參與的科研項目188-190
• 在讀期間發(fā)表的論文190-192
• 致謝192-194
• 附件194

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：峰后巖體宏細觀破裂過程數值模擬方法及應用研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：257839