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《武汉大学》 2013年
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喷锚支护节理岩体的复合单元法研究

秦楠  
【摘要】:在岩土工程中,大量的锚杆和喷射混凝上被用于加固节理岩体,因此,展开对喷锚支护节理岩体的研究有着重要的实际意义。一般来说,研究喷锚支护节理岩体有两种模型:离散模型和等效模型。二者各有优缺点,离散模型能够较为详尽的来描述喷锚支护节理岩体中各个部件的力学行为,但是其前处理工作比较复杂,需要花费大量的时间在模型的离散上面;而等效模型的前处理工作相对而言比较简单,但其缺点是不能得到喷锚支护节理岩体中每个组成部分的详细力学行为。研究人员一般是有选择地使用这两种模型,对于大量的微裂隙、节理、喷层和系统锚杆,采用等效模型,而对于较大断层和重点关注部位的喷层和锚杆则采用离散模型。但是,随着岩土工程规模的逐步扩大,工程人员会遇到越来越复杂的结构,大量的断层和喷层、锚杆纵横交错,使使用详细划分网格的方法来进行离散模拟几乎成了不可能完成的任务。同时,工程方案的频繁改动也会引起网格的频繁变动,这样既费时又费力的工作也是工程研究人员所不愿意面对的。复合单元法便结合了离散模型和等效模型的优点,它的本质是用复杂的计算来代替复杂的前处理工作,从而来降低前处理工作的难度,进而提高工作效率,同时,其又能够细致地模拟结构的内部构造,因此很适用于对复杂结构的研究。 本文就是基于复合单元法开展对喷锚支护节理岩体的研究。 第一,本文总结了岩土锚固和喷锚支护的发展历程并介绍了喷锚支护的工作特性及作用原理。其主要工作特性有及时性、粘结性、深入性、柔性、易应变性和密封性。这些特性构成最大限度利用围岩强度和自承能力的基本要素。在锚固技术的长期应用中,人们先后提出了几种已普遍接受的理论:悬吊理论、组合梁理论、压缩拱理论。在前人研究的基础上,目前又提出了几种新的理论,如:最大水平应力理论、围岩强度强化理论、围岩松动圈理论、全长锚固中性点理论等。 第二,本文总结了目前节理岩体与锚固的研究方法和现状。目前研究岩土工程节理岩体锚固的方法主要有:物理试验法、工程类比法和数值分析法。锚固理论按照体系可分为两大类:不连续介质力学离散方法和连续介质力学等效方法。前者包括极限平衡理论(LET)、关键块理论(BT)、离散单元法(DEM)、不连续变形分析法(DDA)、块体单元法、界面元法等,后者包括有限单元法(FEM)、边界单元法(BEM)、快速拉格朗日分析法(FLAC)等。近年来还出现了具有综合这两类方法的特性的数值流形方法(NMM),无网格方法(MFM)和复合单元法(CEM)等。本文分别介绍了以上几种数值方法在锚固理论中的应用情况并重点介绍了复合单元法,总结了其的发展历程,介绍了复合单元法的基本原理。 第三,基于复合单元法的基本原理,本文建立了喷锚支护节理岩体的弹性复合单元模型。在喷锚支护节理岩体的弹性复合单元模型中,先划分均质网格,将含有喷层、砂浆、锚杆和节理的岩体单元定义为复合单元,引入8个子单元分别用于描述岩体、砂浆、锚杆、喷层和各种接触面,定义多套位移自由度分别插值岩体、砂浆、锚杆和喷层子单元内的位移,而接触面子单元没有单独自由度,它们的位移是由相邻两种介质子单元的结点位移差插值而得的。对各个结构采用弹性本构关系模型,并根据虚功原理得到控制方程,从而求解。本模型能和常规有限单元法无缝结合,联合计算,常规有限单元可以认为是复合单元的一种退化。算例研究中,对一由砂浆锚杆和喷层加固的节理岩体进行试验,分别采用复合单元法和离散模型有限单元法进行弹性计算。计算结果的比较证明了喷锚支护节理岩体弹性复合单元模型的可靠性,同时也说明了复合单元法在喷锚支护节理岩体研究中的前处理简单的优势。 第四,在喷锚支护节理岩体的弹性复合单元模型的基础上,基于弹粘塑性势理论,建立喷锚支护节理岩体的弹粘塑性复合单元模型,对各个构件采用弹粘塑性本构关系,用来模拟其应力应变随时问变化的过程,能较好地解决实际工程中岩体的应力应变是随时间变化的,简单的弹性模型并不能反映时间对应力应变的影响,也就无法模拟喷锚节理岩体真实的应力应变过程的难题。算例研究中,对与弹性计算相同的模型,分别采川复合单元法和离散模型有限单元法进行弹粘塑性计算。计算结果的比较证明了喷锚支护节理岩体弹粘塑性复合单元模型的可靠性。 第五,本文开展了喷锚支护节理岩体的P型自适应复合单元法研究。复合单元法简化了前处理,在研究复杂结构时拥有强大的优势,但是,常规复合单元法采用的是和常规有限单元法一样的线性形函数,在网格密度较小的情况下难以描述复杂结构的非线性性质,可以通过加密网格解决这一问题,但是有难度,而且也与复合单元法的简化前处理的思想不符。喷锚支护节理岩体结构复杂,在粗糙网格下,其内部构件的非线性性质是常规的线性形函数无法精确模拟的。于是引入P型自适应的思想,定义喷锚节理岩体的P型复合单元,通过不断升阶的阶谱基函数,从物理意义上拟合喷锚支护节理岩体内各个构件的复杂位移模式,从而达到模拟非线性力学行为的目的。通过公式的推导和计算程序的编制,这一研究得以实现。算例研究中,稀疏网格的P型复合单元法计算结果,随着升阶不断趋向一致,通过与常规有限单元法和常规复合单元法计算结果比较,证实该研究的成效。 最后,本文将研究成果应用于瀑布沟水电站地下厂房工程的研究。分别建立了三维复合单元法计算网格和三维有限单元法计算网格,进行比较计算,其中复合单元法计算网格包括12311个单元和12429个结点,为均质网格;而有限单元法计算网格包含70128单元和93516个结点,采用了离散模型。在研究中,模拟了地下洞室的开挖加固到运行的全过程,开挖分为9步进行,喷锚支护伴滞后开挖一步进行。通过丰富的计算结果的比较,进一步证实了复合单元法在喷锚支护节理岩体研究的成效,表现出强大的前处理的优势和离散模拟的准确。 复合单元法在岩土工程有着广阔的应用前景,目前在喷锚支护节理岩体的应力-应变分析中已经取得了一定成果,但是,复合单元法的在这一方面研究仍有待深入,同时,其多元化的应用研究还有待继续开展,可以在开裂问题、局部化问题、热传导问题、耦合问题等方面继续展开研究。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TU45

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