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断续节理岩体破坏过程的数值分析方法研究

张秀丽  
【摘要】: 众所周知,岩体的断裂破坏与内部裂纹的萌生、扩展及贯通有关,但现有的数值计算方法难以模拟裂纹萌生、开叉、汇交等问题,本文提出了一种断续节理岩体断裂破坏分析方法DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),亦即用改进的不连续变形分析方法来模拟岩体的断裂破坏过程。 首先,采用Monte-Carlo方法在计算区域内生成随机节理网络。然后,在节理网络上采用计算网格自动生成技术—行波法,将计算区域离散为细密的三角形块体系统,块体的力学参数采用Weibull分布,以模拟岩体的不均匀性。然后,采用粘结算法,对块体剖分过程中产生的虚拟节理,即连续区的块体边界,进行粘结处理,将虚拟节理两边的块体粘结起来,以模拟连续区特性,而虚拟节理的粘结强弱可以直接通过粘结力来反映,其动态变化将决定裂纹沿块体边界的扩展,并加入块体内部的开裂算法,用以模拟裂纹穿过块体的扩展,这样,裂纹扩展就可以通过粘结失效和块体开裂而模拟出来。针对本文的算法,编制了相应的C++程序模块,并加入到石根华教授的DDA程序中,形成了岩体裂纹扩展、破坏分析计算程序DDARF。采用DDARF程序计算了大量的算例,分别模拟了单轴压缩、巴西圆盘、单轴拉伸、粱三点弯曲试验,研究了不同试件中的裂纹扩展情况,并分析了不同应力状态下的裂纹扩展规律。DDARF计算结果与相关试验结果、其它数值方法模拟结果的吻合,验证了本文算法的正确性。最后,将DDARF方法应用到实际工程中,研究了复杂情况下的裂纹扩展情况及岩体破坏过程。DDARF方法适用于岩体连续、断续、完全离散的情形,可以模拟出裂纹萌生、扩展、贯通、直至岩体崩塌破坏的全过程。 此外,为了研究爆炸产生的应力波在节理岩体中的传播问题,在DDA中加入了一种新的边界条件—无反射边界,并研究了节理面对爆炸波传播的影响,以及爆炸波在节理岩体中的传播及衰减规律,为DDARF方法在岩体动力学领域的应用奠定了基础。


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