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《武汉理工大学》 2003年
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节理岩体等效性能的损伤模型及其数值模拟

潘鹏志  
【摘要】: 工程中经常遇到的节理岩体,其特点是:岩体内存在大量节理、裂隙,它们多以成组展布,本身规模不大,小到几十毫米,大至几米,但它们的存在却大大改变了岩体的力学性质,使得岩体的变形模量和强度参数降低,并呈各向异性。采用以往的节理单元模型逐一模拟如此众多的节理裂隙是不现实的。本文把岩体中的节理看作是一种损伤,引用损伤变量来考虑节理对岩体力学性质的影响。这种方法的显著优点是:首先,它不具体考虑个别节理的力学行为,而只考虑其宏观的力学效应;其次,借助张量性质的损伤变量,对含多组裂隙的岩体,都可以写出其本构关系,这是其他方法所不易办到的。 本文运用连续介质力学方法来研究节理岩体的等效力学性能,首先讨论损伤力学的一些基本概念和原理,然后探讨了损伤张量的确定方法,在工程地质调查的基础上,求取研究区域的损伤张量。通过引入损伤张量模型,把存在于岩体中的节理面,通过损伤张量和有效应力来表达其力学特性,从宏观上纳入连续介质力学的范畴来处理。本文所做的主要工作如下: (1)确定节理岩体的损伤张量,建立节理岩体的损伤分析模型; (2)成功地开发了基于损伤力学模型的平面有限元程序; (3)用所编写的程序与节理有限元法做了大量的对比,并对不同的节理倾角,不同的节理间距,不同的节理长度等情况进行了分析。 (4)巧妙地利用了功能强大的ANSYS和TECPLOT前后处理系统,从而使计算结果更加直观。 通过损伤力学模型与节理有限元模型两种方法的对比计算分析,结果表明,利用本文的损伤模型研究节理岩体的等效性能是可行的,损伤模型比节理有限元模型能更方便地反映岩体的各向异性和不连续性,它可以解决分布规模小、数量多的岩体结构面的力学特性。
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