岩石蠕变的FEM和PCA模拟算法研究

【摘要】：在工程实践中,由于岩石承受长期荷载作用,变形表现出随时间变化的特征,即蠕变现象,所以许多工程项目处在无休止的变形状态,直至破坏失去稳定。因此,研究蠕变现象,对解决地下工程的设计和维护问题,有十分现实而重要的意义。本文在模拟岩石蠕变变形及破坏方面作了初步尝试,对几种模拟算法进行了比较分析,并作了验证。1)首先根据传统的蠕变模型理论和经典的解决蠕变问题的有限元方法,选择了适于模拟稳定蠕变问题的开尔文模型,采用C++语言编制了软件,模拟单轴压缩条件下岩石试件的变形趋势,与已知试验结论基本一致。2)引入了元胞自动机模型,结合前人的研究成果以及岩石发生蠕变的变形特征,构建了模拟岩石蠕变变形问题的元胞自动机模型,并采用C++语言编制了软件,从能量的角度模拟单轴压缩条件下岩石试件发生衰减蠕变和加速蠕变的变形趋势,与已知试验结论基本吻合。定性分析了均质度对岩石蠕变演化的影响程度。3)对物理元胞自动机(PCA)模型在岩石力学领域的进一步研究做了设想。引入应力、应变和位移等矢量概念,将元胞自动机模型与有限元方法结合起来,建立了差分形式的PCA有限元算法,尝试从矢量的角度模拟岩石的变形及破坏问题。