节理岩体等效本构关系研究及工程应用

【摘要】：随着社会经济的发展和国家对基础建设投入的增加,岩体工程的规模、数量以及复杂性也随之增加,需要解决的岩体工程问题也越来越复杂。同时人们通过诸多大型工程实践和对一系列的岩体工程破坏事故的分析,人们逐步认识到节理岩体在岩体工程的安全性中起到了重要作用,节理岩体的力学特性成为岩体力学领域的前沿问题和亟待解决的问题之一。 计算机技术的发展使得数值计算方法在工程设计中得到广泛的应用,但受节理控制的岩体工程由于其力学特性的复杂性,难以用传统的本构关系进行合理描述,这限制了各种计算方法在岩体工程中的应用。为了进一步认识节理岩体的力学特性,本文讨论了节理岩体的等效本构关系并对某边坡工程的开挖进行了算例分析,主要工作如下： (1)总结了岩体中随机节理面几何参数的分布模型,从节理的间距、迹长等几何特征参数入手进行了讨论分析,以二分法为手段实现了节理网络模拟技术中的样本数目的确定。 (2)按照连续介质力学的基本理论,利用变形等效的方法推导了岩体的等效弹性矩阵。将随机结构面和辅助结构面结合,提出了借助离散元的方法进行节理岩体等效变形参数计算的思路。 (3)依据蒙特卡洛法确定节理岩体力学连通率的计算原理,对力学连通率进行影响因素分析,从模拟次数、模型尺寸、投影带宽、平均正应力等几个方面讨论其对力学连通率的影响,为力学连通率的合理计算提供了依据。 (4)利用有限元软件ABAQUS的子程序模块,探讨了基于强度参数各向异性的节理岩体等效本构模型的适用性,分析和讨论了目前在岩土工程领域中应用较为广泛的遍布节理模型,并用两种不同的本构模型进行了算例分析。 (5)分析和讨论了岩土工程中的初始应力场问题和工程开挖问题,并利用本文子程序进行了边坡工程的初始自重应力场模拟以及开挖过程中应力释放的算例分析。