应力、渗流、温度及损伤耦合作用下裂隙岩体破裂机理及广义粒子动力学(GPD)模拟分析

摘要

本文提出一种新的数值模拟计算方法-广义粒子动力学(GPD)算法对地下裂隙岩体在应力、渗流及温度耦合作用下裂隙扩展机理进行理论及数值研究。
　　①采用Hoek-Brown强度准则对脆性岩体的裂隙启裂、扩展和连接进行判断。当粒子的应力满足Hoek-Brown强度准则时，粒子失效，根据失效粒子的破裂顺序对裂隙扩展路径进行描述。
　　②采用 GPD数值方法，建立岩体系统的应力、渗流、损伤耦合模型。模拟研究了含水及不含水情况下，地下隧道开挖卸荷后的裂隙扩展规律，以及隧道围岩的位移情况；研究了渗流场对应力场及损伤场的影响。
　　③本文提出一种新的“生成粒子算法”，来模拟竖向荷载和裂隙水压耦合作用下岩体裂隙扩展机理。当张开裂纹的张开度达到一定程度时，携带水粒子参数的新粒子会在空白区域生成；根据Hoek-Brown强度准则对岩石粒子间虚拟键的断裂进行判断；断裂虚拟键只能够承受粒子间的压应力作用，而不能承受拉应力作用；裂隙水压对翼型裂纹起裂角及起裂位置有很大影响，随着裂隙水压的增大，翼型裂纹的扩展方向与预置裂纹轴线的夹角逐渐增大，起裂位置逐渐向预置裂纹轴线方向移动。
　　④采用GPD数值方法，建立岩体的应力、温度、损伤耦合模型。在基质热膨胀系数小于内嵌材料的热膨胀系数时，内嵌颗粒处于静水压力状态，基质材料在径向方向受压，环向方向受拉，由于岩石材料抗拉强度较低，在环向拉力作用下会产生径向裂纹；在基质热膨胀系数大于内嵌材料的热膨胀系数时，内嵌颗粒处于拉伸状态，基质材料则在径向方向受拉，环向方向受压，此时最大拉应力位于内嵌材料和基质材料的接触面位置，即在接触面位置，基质材料发生拉伸破坏。
　　⑤在 GPD数值方法中，建立岩体的温度、渗流耦合计算模型。考虑温度场影响时，一方面，洞室开挖后周边围岩温度降低，导致岩体渗透系数降低；另一方面，温差的存在对渗流扩散产生影响，导致洞室周边裂隙水的渗流速度明显比不考虑温度场时偏低，渗流迹线在相同渗流时间段内扩展长度减小。在渗流作用条件下，由于宏观裂隙渗流的影响，造成在裂隙处温度场分布不均，温度降低较慢，同时由于渗流的影响，随着计算步加大，温度场向外扩展，温度场在含宏观裂隙的位置出现温度传播受阻的情况。这表明，不仅温度对渗流场有较大影响，渗流场对温度场也有较大影响。
　　⑥在应力、渗流、温度、损伤耦合情况下，不同侧压力系数对洞室周围岩体损伤区的扩展有较大影响。当侧压力系数较小时，洞室拱顶上方及底板下方损伤区扩展范围较大，宏观裂隙开裂水平也较高；随着侧压力系数的增大，洞室周边拉应力区逐渐减小，宏观裂隙的开裂水平也逐渐减小；但在开挖卸荷初始阶段，围岩损伤区却较侧压力系数较小时要大。

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主要符号

1 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究综述及现状

1.3 本文主要研究内容及研究方法

1.4 篇章结构

1.5 技术路线

2 GPD计算方法的原理

2.1 GPD方法的基本思想

2.2 GPD方法的基本方程

2.3 GPD算法中光滑核函数的构造及其性质

2.4具有材料强度的GPD计算方法公式以及控制方程

2.5 本构模型

2.6 本章小结

3 多裂隙岩体材料的裂纹起裂、连接和扩展的数值模拟

3.1 General Particle Dynamics(GPD)算法描述

3.2 粒子损伤模型

3.3 数值模型的几何布置

3.4 裂纹扩展模式

3.5 翼型裂纹

3.6 剪切裂纹

3.7 裂纹连接模式

3.8 裂纹连接规律

3.9 本章小结

4 地下洞室开挖卸荷后渗流场-应力场及裂隙损伤扩展耦合的数值模拟研究

4.1 地下岩体一维渗流场的数值模拟及验证

4.2 地下隧道工程二维应力场-渗流场-损伤耦合的数值模拟

4.3 本章小结

5 基于两相介质的裂隙岩体渗流-应力耦合的GPD数值模拟

5.1 控制方程

5.2 GPD岩石断裂问题中一种新的固液耦合算法

5.3 数值模型

5.4 数值结果

5.5 本章小结

6 地下洞室开挖卸荷后应力场、温度场、渗流场及裂隙损伤扩

6.1 应力场-温度场耦合作用下岩石破裂数值模拟

6.2 非连续介质温度场-渗流场耦合数值模拟

6.3 本章小结

7 GPD算法的工程应用7.1 引言

7.2 锦屏二级水电站引水隧洞围岩工程的地质条件

7.3 采用GPD算法对引水隧道围岩在开挖卸荷作用下的数值模拟

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 文章创新点

8.3 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间参加的科研项目