工程岩体渐进破坏的广义粒子动力学数值模拟

摘要

复杂受力条件下各类大型岩体工程的稳定性历来备受关注，无网格法作为数值分析的一大类方法，在描述工程结构体渐进破坏，模拟岩石材料的裂纹扩展方面具有优势，可用于判断工程的稳定性，是目前岩土工程数值分析方法领域的一个研究热点。本文基于学者对无网格算法的已有研究，提出应用于岩石工程领域的广义粒子动力学法（General Particle Dynamics,GPD法）。研究工作主要有以下几个方面：
　　①提出适用于岩石类材料渐进破坏模拟的无网格GPD法。方法基于连续介质守恒方程，用威布尔统计学方法描述岩石不均质特点，采用岩石本构方程和岩石力学的参数，沿用无网格配点法中光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法的离散思想，引入岩石屈服准则等，使得GPD法能较好的模拟弹脆性岩石材料的裂纹扩展。
　　②无网格GPD法作为动态数值模拟方法，用于准静态力学模型。基于岩石单轴压缩GPD模型，模拟二维和三维岩样中裂纹的扩展，同时考察岩样模型的应力场、应变场、破坏模式等，模拟结果与单轴压缩实验结论进行对比，考察GPD程序在准静态试验中的可靠性。
　　③无网格GPD法用于简单边坡渐进破坏数值模拟。将强度折减法（Shear strength reduction method，SRM）融入GPD法，通过临界强度折减系数（Shear strength reduction factor，SRF）定义了配点型无网格算法中边坡的安全系数，用于评价岩质边坡的稳定性。
　　④无网格GPD法用于混凝土抗滑桩加强型简单边坡渐进破坏的数值模拟。将抗滑桩加固边坡看做抗滑桩和岩质边坡两种材料耦合作用的模型，在GPD法中融入耦合边界条件和边界粒子作用方式，在无网格法自适应的特点下，可实现对抗滑桩加固岩质边坡稳定性的评价。
　　⑤弹塑性GPD法的建立。将考虑剪胀性的弹塑性理论引入GPD法，同时将隧道模型简化为弹塑性圆形隧道模型，采用G PD法从塑性角度评估、描述围岩稳定性。
　　⑥建立考虑动态特征的GPD法，并应用于岩爆模型。将适用岩石“高地应力+动态扰动”力学状态的含率效应的HJC强度模型引入GPD法，用于判断隧洞中岩石GPD粒子屈服，在含不同预置裂纹的圆形隧道模型中，实现GPD法对深部围岩岩爆的模拟。
　　⑦以锦屏二级水电站隧道为研究背景，采用理论分析、GPD数值模拟方法对引水隧洞、辅助隧洞的稳定性进行了研究。通过GPD法对锦屏二级水电站隧道的力学场量、围岩渐进破坏、围岩坍塌等进行精细模拟，尝试GPD法用于预测工程岩爆发生的位置和强度。

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目录

1 绪 论

1.1 研究的背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容和技术路线

2 广义粒子动力学——一种应用于岩石的无网格粒子法

2.1 引言

2.2 GPD方法的基本原理

2.3 GPD法中控制方程

2.4 GPD法中固体本构模型

2.5 GPD法中的数值处理

2.6 GPD法的程序化

2.7 小结

3 单轴压缩岩石渐进破坏G PD数值模拟

3.1 引言

3.2 数值方法简述

3.3 基本控制方程

3.4 三维岩石单轴压缩模型数值验证

3.5 小结

4 基于GPD法的边坡稳定性分析

4.1 引言

4.2 边坡强度折减法

4.3 材料-结构两相作用的边界处理

4.4 边坡渐进破坏模拟和稳定性分析

4.5 小结

5 基于GPD法的巷道围岩弹塑性分析

5.1 引言

5.2 弹塑性岩石破坏数值方法

5.3 考虑材料剪胀的弹塑性本构模型

5.4 弹塑性本构方程

5.5 巷道围岩的弹塑性区、应力场及位移场的数值模拟

5.6 小结

6 基于GPD法的深部隧道岩爆模型

6.1 引言

6.2 围岩受开挖卸荷影响的HJC强度模型

6.3 深部隧洞模型岩爆模拟

6.4 小结

7 锦屏二级水电站隧道围岩稳定性分析

7.1 引言

7.2 锦屏二级水电站隧道工程地质环境

7.3 锦屏二级水电站隧洞围岩开挖数值模拟

7.4 隧洞稳定性模拟结果

7.5 小结

8 结论与展望

8.1 主要研究成果及结论

8.2 主要创新点

8.3 后继研究的展望及建议

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

C. 作者在攻读学位期间申请的软件著作权